СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ФИЗИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЗДАНИЯ И/ИЛИ СООРУЖЕНИЯ
CHARACTERISATION METHOD OF PHYSICAL STATE OF BUILDING AND/OR STRUCTURE

Изобретение относится к строительству и предназначено для инструментального обследования здания с целью определения его физического состояния в процессе строительства, эксплуатации, определения конструктивной целостности в результате аварий и землетрясений.
7
Известен из патента Российской Федерации №2254426, кл. G01M 7/00, 2004 г., способ определения изменений напряженно-деформированного состояния конструкций здания или сооружения, основанный на разделении сооружения на зоны высотой 3-5 этажей с установкой в каждой зоне стационарных сейсмометрических датчиков и регистрации тестовых ударов, по которым вычисляют передаточные функции, характеризующие конструкции и строительный материал зоны объекта.
Недостатком этого способа является большая неоднозначность при определении траектории распространения тестирующих колебаний в теле объекта и, как следствие, малая точность определения изменения параметров конструкций и строительного материала. Кроме того, способ является, по существу, дифференциальным, так как исходные параметры, характеризующие объект, считают либо известными и с ними ведут сравнение, либо их не рассматривают, а сравнение ведут с определенными ранее.
7
Известен также из патента Российской Федерации №2245531, кл. G01М 7/00, 2003г., способ определения устойчивости зданий и сооружений, основанный на возбуждении объекта слабыми ударами с последующим их суммированием, при этом результаты экспериментальных измерений сравнивают с расчетными, а в расчет закладывают либо известные данные по конструкциям и строительным материалам, либо недостающие сведения дополняют сведениями, полученными экспериментально на объекте путем дополнительного применения неразрушающих методов с визуальным обследованием и взятием проб материалов. Об устойчивости здания судят по его физическому состоянию, причем аномальные зоны в объекте определяют методом экспертных оценок отклонения экспериментальных данных от расчетных.
Недостатком этого способа, снижающим его надежность и ограничивающим область применения, является использование расчетов как основы способа ввиду того, что в реальных зданиях, особенно старинной постройки, не всегда известен материал, причем может быть использована композиция материалов, недоступная для проб, а неразрушающий контроль не позволяет вскрыть конструкцию обследуемого объекта.
1
Наиболее близким по своей технической сути решением к предложенному способу является известный из патента Российской Федерации №2140625, кл. G01М 7/00, 1998г., способ определения параметров физического состояния здания и/или сооружения, включающий выбор точек измерений в зависимости от его объемной конфигурации, установку сейсмометров в выбранных точках на обследуемом здании и/или сооружении, сейсмическую регистрацию и обработку записей по координатам X, Y и Z микросейсмического фона естественного и техногенного происхождения, в условиях которого постоянно находится здание и/или сооружение, определение частоты и амплитуды собственных колебаний последних в точках, сравнение полученных значений с расчетными и анализ отклонения от этих значений,
Недостатками этого способа является то, что изменение направления ветра может давать такую же картину, что и изменение физического состояния объекта. Кроме того, вероятность неточности задания конструктивной схемы или материала в расчетах обуславливает возможность фиктивного обнаружения дефекта в теле здания или сооружения, то есть оба фактора снижают достоверность определяемых известным способом параметров контролируемого здания и/или сооружения.
Задачами предлагаемого изобретения является обеспечение возможности неразрушающих обследований состояния историко-архитектурных памятников, определение строительных материалов и конструктивных схем и приемов, использовавшихся при возведении последних, а также обеспечение непрерывного неразрушающего контроля как за состоянием зданий и/или сооружений, пострадавших в результате природных и техногенных катастроф, в том числе землетрясений, так и для непрерывного неразрушающего контроля технического состояния конструкций и основания зданий и/или сооружений особой ответственности, в том числе высотных, в процессе их строительства и эксплуатации.
г
Решение указанных задач достигается тем, что в способе определения параметров физического состояния здания и/или сооружения, включающем выбор точек измерений в зависимости от его объемной конфигурации, установку сейсмометров в выбранных точках на обследуемом здании и/или сооружении, сейсмическую регистрацию и обработку записей по координатам X, Y и Z микросейсмического фона естественного и техногенного происхождения, в условиях которого постоянно находится здание и/или сооружение, определение частоты и амплитуды собственных колебаний последних в точках, сравнение полученных значений с расчетными и анализ отклонения от этих значений, в качестве источников возбуждения собственных колебаний зданий и/или сооружений дополнительно анализируют ветровые воздействия, а измерения в точках сейсмометрическими датчиками дополняют датчиками измерения скорости и направление ветра, расположенными вблизи обследуемого здания и/или сооружения, а также профилями малоглубинной сейсморазведки вдоль фасадов последних, а при обработке записей по точкам измерений на объекте в качестве значений динамических характеристик отдельно для каждой из компонент (X, Y, Z) вычисляют значения амплитуд и фаз колебаний на собственных частотах, затем при их совместном учете строят экспериментальную пространственную картину форм собственных колебаний, при этом одновременно осуществляют расчеты динамики конструкций с учетом взаимодействия здание с основанием и ветровых воздействий, используя данные измерений параметров ветра и упругих свойств грунтов по данным малоглубинной сейсморазведки, из которых выбирают расчетные значения для собственных частот и форм колебаний, сопоставляемые затем с экспериментальными данными, причем экспериментальные данные принимают в качестве эталонных, анализируют величины отклонения от них расчетных значений, на основании чего в расчетах задают изменения параметров строительных материалов и/или конструктивной схемы, причем расчеты ведут до тех пор, пока не будет получено согласие с экспериментом в пределах ошибок эксперимента и расчетов, а расстояние между точками установки сейсмометров по горизонтали R и по высоте h назначают не более чем 0,2-0,5 и 0,1-1 от максимальных значений соответственно длины и высоты здания и/или сооружения.
Сущность изобретения заключается в следующем.
aтм
aтм1
В зависимости от объемной конфигурации обследуемого здания и/или сооружения выбирают точки измерений, например по длине и высоте фасада, в которых устанавливают сейсмометры, а вблизи обследуемого здания и/или сооружения располагают датчики измерения скорости и направление ветра. Регистрируют одновременно сейсмические колебания, скорости и направление ветра в течение заданного интервала времени. Длительность периода t регистрации составляет от 10 минут до 6 часов, ее выбирают таким образом, чтобы она заведомо укладывалась в диапазон стабильности атмосферных параметров, то есть в пределы микрометеорологического минимума между максимумами Т, Т=1 мин и
атм2
г
г
max
0
Т=12 часов. Такой выбор интервала времени регистрации повышает точность определения экспериментальных параметров собственных колебаний и позволяет воссоздать однородные условия ветрового воздействия при расчетах. Точки, в которых производят сейсмометрические измерения, выбирают в произвольном порядке, но так, чтобы одновременно вести регистрацию не менее чем в двух точках. Расстояние между соседними точками R по горизонтали назначают в зависимости от длины обследуемого фасада L, причем среднее значение расстояния не превышает R=L/m, m=2-5, где m - количество точек, а при наличии архитектурных форм на фасаде (эркеров, ниш и пр.) или зон заметных трещин точки дополнительно располагают в центре и по обе стороны формы или зоны. По высоте точки установки сейсмометров h в 1-3-х этажных зданиях и/или сооружениях до 10 м выбирают на наиболее высоком из доступных уровней. При значительной высоте здания и/или сооружения H точки размещают на верхнем и нижнем уровнях здания h=H и h=Н соответственно. Кроме того, h=Н/n, где H=1-10 в зависимости от высоты здания или степени его разрушения.
Для сейсмических измерений используют частотный диапазон, начиная от 0,1 Гц и выше, что позволяет обследовать по данному способу и современные высотные здания, имеющие собственные частоты в этом диапазоне. Сейсмическую регистрацию микросейсмического фона естественного и техногенного происхождения, в условиях которых находится здание и/или сооружение, производят по координатам X, Y и Z.
Параметры ветрового воздействия измеряют стандартными метеорологическими датчиками направления и скорости ветра. Датчики располагают вне зоны влияния здания и/или сооружения на расстоянии от 100 м до 1 км от последних. Профили малоглубинной сейсморазведки проходят вдоль фасадов и выполняют по стандартной методике так, чтобы обеспечивалась глубинность не менее 10 м от поверхности грунта.
Затем производят обработку сейсмограмм и параметров ветровых воздействий на обследуемое здание и/или сооружение, при этом в качестве одного из компонентов микросейсм выделяют собственные колебания здания, для чего производят расчет спектров сейсмограмм, выделяют тонкие пики в спектре, присутствующие во всех точках измерения и соответствующие резонансным частотам колебаний, определяют их амплитуды и сдвиг фаз между одновременно произведенными записями.
i
Резонансные частоты f(i=1,…,N) выделяют путем расчета спектров, применяя быстрое преобразование Фурье. Для получения нужной точности по частоте длину окна анализа по времени t подбирают, исходя из положения соседних резонансных пиков на частотной оси
i+1
i
i
i-1
t=1/(0,5*min{f-f, f-f}), i=1,…,N-1,
где i - порядковый номер резонансной частоты.
i
i+1
i
i
i-1
Для каждой из резонансных частот f определяют значения амплитуд. Затем производят фильтрацию сейсмометрической записи в частотном окне от (f-f)/2 до (f-f)/2, по результатам которой для точек с одновременной регистрацией определяют разность фаз.
Проведя обработку для всех точек и для каждой из резонансных частот колебаний, составляют кривые пространственного распределения амплитуд. Для каждого из значений амплитуд и фаз определяют точность, используя стандартные приемы спектрального анализа и результаты стандартных методов калибровки сейсмометров.
Одновременно проводят расчеты амплитуд собственных колебаний здания и/или сооружения для набора моделей с разными параметрами строительного материала и/или конструктивной схемы, причем в расчетах принимают параметры грунта по данным малоглубинной сейсморазведки, а ветровое воздействие задают по величинам измерений скорости и направления ветра. Путем расчетов модели здания и/или сооружения вычисляют значения собственных частот здания. Затем для каждой из частот из результатов расчета выбирают значения амплитуд в точках установки датчиков и по этим значениям составляют кривые, аналогичные экспериментальным. Затем для колебаний на соответствующей частоте сопоставляют экспериментальные кривые с результатами расчетов, вычисляя при этом коэффициенты корреляции кривых. За значения параметров физического состояния здания принимают те значения, заложенные в расчетную модель, для которых значения собственных частот и соответствующие им экспериментальные и расчетные кривые различаются меньше, чем точность измерения, при величине коэффициента корреляции не менее 0,9.
Конкретные примеры осуществления изобретения поясняются чертежами, где на фиг.1 показан план сооружения с местоположением профилей малоглубинной сейсморазведки (вверху) и один из глубинных разрезов (внизу); на фиг.2 - фасад сооружения (внизу) и сопоставление амплитуд второй формы собственных колебаний, полученных при расчете моделей (1-3) и в экспериментах при разных параметрах ветровой ситуации (4, 5), приведены значения в точках измерения (окна 2-го этажа); на фиг.3 - поля областей возможных решений для собственной частоты колебаний на 2-й форме f и коэффициента корреляции расчетов с экспериментом К при вариации параметров расчетных моделей, справа - наложение полей, скобками отмечена область удовлетворительных решений; на фиг.4 - модели сооружений и соответствующие профили амплитуд колебаний по высоте для стержня: а - при изгибе, б - при сдвиге, в - сооружение более сложной формы при работе конструкций на сдвиг; на фиг.5 - экспериментальные кривые амплитуд собственных колебаний на разных ярусах колокольни, направления по горизонтали - X=NS, Y=EW и суммарные кривые амплитуд собственных колебаний на разных ярусах колокольни.
Пример 1
Иллюстрирует применения способа при обследовании состояния и определении несущей способности конструкции для здания Преображенской гостиницы XIX в. на Соловках, имеющего простую форму, т.е. может служить тестовым объектом для методики сопоставления расчетов и измерений. Сооружение сильно повреждено (отсутствуют перекрытия, имеются трещины в стенах), все эти особенности отражены при детальных архитектурных обмерах. Тем не менее даже детальные прорисовки не позволяют оценить состояние и несущую способность конструкций.
При составлении расчетной модели основные проблемы были связаны с заданием следующих необходимых параметров для расчета. Материал стен - комбинированная кирпично-бутовая кладка XIX века из местного материала и раствора с наличием более поздних вставок, причем стены сильно выветрены и имеют сеть трещин различного размера и глубины проникновения. Перекрытия обследуемого здания сохранились частично, в основном деревянные подгнившие, есть более поздние железобетонные вставки, т.е. обследуемое здание характеризуются широким набором параметров, в основном жесткости стен и перекрытий Е (табл.1). Осложняет ситуацию плохое состояние бутового фундамента и основания здания. Задача расчета - задание осредненных, эффективных значений, позволяющих с хорошим приближением получить согласие с экспериментом.
г
Сейсмометрические измерения были выполнены на наиболее высоком из доступных уровней - на подоконниках 2 этажа здания. Датчики устанавливали по направлениям (Z, X, Y), при этом горизонтальные компоненты ориентированы в направлениях параллельно и перпендикулярно стенам. При длине фасада L=60 м среднее расстояние между точками установки составило R=10 м, в зоне трещины около окна №7 датчики устанавливали на каждом доступном подоконнике. Был промерен набор точек на фасаде, на угловых секциях, а также в ключевых для динамики здания точках. Эксперимент проводился в два приема - при безветренной погоде и при сильном северо-восточном ветре.
Вдоль стен гостиницы пройден профиль малоглубинной сейсморазведки, который выявил однородные грунтовые условия (фиг.1), что позволило задать величину коэффициента постели для расчетов.
При обработке сейсмических записей, полученных на здании, рассчитывали спектры мощности микросейсм и выделяли пики, присутствующие во всех точках объекта. Часть из них соответствует собственным частотам колебаний сооружения, другие - вынужденным, наведенным от техногенных источников. По записям определили сдвиг фаз между точками для каждой из частот собственных колебаний и значение амплитуды в точке, затем для каждой частоты с учетом разности фаз в точках построили "профиль амплитуд" вдоль фасада здания (фиг.2).
Основой для сравнения являлось совпадение экспериментальных и расчетных значений собственных частот и профиля амплитуд. По сейсмометрическим данным значение собственной частоты колебаний определили с точностью до 0,05 Гц, а амплитуду - 20-30%. По экспериментальным спектрам доминирующее собственное колебание соответствует пику на частоте 2,90-3,00 Гц. Полученный профиль колебаний (фиг.2) соответствует второй форме собственных колебаний. Исходя из этого из расчетов были выбраны только данные по колебаниям второй формы (фиг.2), параметры расчетных моделей приведены в таблице 1. Сопоставление значений амплитуд показало, что наибольшее подобие по форме профиля колебаний и значениям частоты дала модель 2, совпадение в пределах ошибки измерения для всех точек, кроме точки 6. Тут сказались условия установки сейсмометров. Принятые параметры модели 2 в основном соответствуют материалу стен и перекрытий по визуальному определению материала. Попытка получения большего совпадения с экспериментальной кривой путем введения в расчет основных трещин или устранения части перекрытий практически не изменила картину. При изменении ветровой ситуации через несколько дней (ветер 5 м/с, северо-восточного направления) были выполнены записи в окнах №7, 5 и 4. Был получен иной профиль амплитуд (фиг.2, кривая 5), который требовал введения ветрового воздействия в расчет. Все это показывает высокую чувствительность способа, которая заметила изменение параметров работы конструкций здания.
с
n
Была оценена устойчивость полученного решения. Для этого были составлены поля областей решений (фиг.3), на которых по осям отложены значения Е и E, изолиниями были показаны получаемые значения собственных частот f и коэффициентов корреляции К между профилями колебаний по расчетам и эксперименту. Наложение полей и определение границ удовлетворяющих результатов определило область, где искать приемлемое решение. Задав f=2,9÷3,1 Гц и К>0,95, получили достаточно узкую область решений, ограниченную на фиг.3 скобками.
Приведенный пример показал, что применение способа позволяет определить материал здания и несущую способность сооружения с существенно более высокой точностью и надежностью.
Пример 2
Иллюстрирует применения способа для получения экспресс-оценки работы конструкции сооружения и относится к реконструкции колокольни Соловецкого монастыря. При возведении утраченного навершия колокольни было необходимо оценить гибкость возводимой конструкции, т.е. определить, происходит сдвиговое или изгибное деформирование при ветровом воздействии. Определить характер работы конструкции можно путем анализа формы профиля по высоте значений амплитуд колебаний (фиг.4). Колокольня представляет собой сооружение с ярусами, уменьшающимися по поперечным размерам. Для такого сооружения профиль по высоте будет состоять из суперпозиции кривых для каждого яруса (фиг.4).
На колокольне были установлены сейсмометры в точках по вертикальному профилю в подклете, на 1, 2 и 3 ярусах, т.е. примерно через 5 м. Работы производились попарно в точках и контролировались ветровые параметры по метеорологическим датчикам. Обработка сейсмометрических записей выявила пик на частоте 2,86 Гц, соответствующий собственным колебаниям колокольни на первой форме. В каждой точке были определены амплитуды колебаний по 3 компонентам, основу из которых составили горизонтальные компоненты X=NS и Y=EW в направлениях осей сооружения (фиг.5).
Сопоставление теоретических моделей (фиг.4) и экспериментальных кривых (фиг.5) показывает, что сооружение на высоте до 2-го яруса работает на сдвиг, выше - на изгиб, причем в направлении EW гибкость сооружения присутствует уже даже на 2-м ярусе. Этот результат соответствует особенности сооружения - колокольня в направлении NS находится в связке с другими зданиями.
Приведенный пример 2 показал, что применение предложенного способа позволяет надежно определить реальное состояние конструкций сооружения, причем получить результат достаточно оперативно.
Таблица 1
Расчетные параметры моделей сооружения
№ модели
стены Е<sub>c</sub>, кН/м<sup>2</sup>
перекрытия E<sub>n</sub>, кH/м<sup>2</sup>
Собств. частота 2-й формы, Гц
А
299200
3*10<sup>6</sup>
8,13
Б
299200
3*10<sup>5</sup>
6,39
В
192000
3*10<sup>6</sup>
6,28
1
336000
2,9*10<sup>6</sup>
2,38
2
<b>533550</b>
<b>2,9*10</b><sup>6</sup>
<b>2,90</b>
3
375000
2,9*10<sup>7</sup>
2,95