СЕЙСМОМЕТРИЧЕСКИЙ СПОСОБ МОНИТОРИНГА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЗДАНИЙ И/ИЛИ СООРУЖЕНИЙ
SEISMOMETRIC METHOD TO MONITOR TECHNICAL CONDITION OF BUILDINGS AND / OR STRUCTURES

Изобретение относится к средствам мониторинга технического состояния сложных, объемных, потенциально опасных объектов, преимущественно, таких, как крупные плотины ГЭС, мосты, тоннели, стадионы и морские пирсы, высотные здания и может быть использовано для текущей оценки и прогноза безопасной эксплуатации зданий и/или сооружений при возможных неблагоприятных воздействиях на объект.
Известен способ определения параметров физического состояния здания и/или сооружения (патент на изобретение РФ №2140625, МПК G01M 7/00), 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 внешних воздействий на объект, например, напор воды на плотину, действие ветра на здание, количество установленного оборудования или людей на объекте, температура окружающей среды, может давать такую же картину, что и изменение технического 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 точность определяемых известным способом параметров контролируемого здания и/или сооружения.
Известны также способ мониторинга безопасности несущих конструкций, конструктивных элементов зданий и сооружений и система для его осуществления (патент на изобретение РФ №2413193, МПК G01M 7/00), включающий построение компьютерной модели объекта, позволяющей моделировать конструкцию здания или сооружения, реальное физическое состояние здания или сооружения, включая подстилающий грунт и подземные воды, а также изменение этого состояния во времени в процессе эксплуатации и формирующей условное изображение контролируемого объекта, повторяющее его конструкцию, а также компьютерной модели физических факторов, воздействующих на здание или сооружение. Затем проводится математическое моделирование воздействия физических факторов на здание/сооружение и определяются расчетные значения интегральных характеристик несущих конструкций. Определяются точки несущих конструкций, критически важные для безопасности здания/сооружения и являющиеся, в том числе, и точками диагностирования конструкций. Строится матрица граничных значений интегральных характеристик состояния здания/сооружения для критически важных точек для нормальной эксплуатации и предаварийного изменения состояния несущих конструкций.
С помощью датчиков, устанавливаемых в точках диагностирования конструкций, проводят измерения параметров конструкций и их материалов, параметров грунта, здания, окружающей среды, а именно значения поверхностной прочности, объемной прочности, параметры армирования элементов конструкции объекта, осадки, сдвиги, крены объекта, глубина залегания фундамента, его поверхностная прочность, его объемная прочность, период собственных колебаний грунта под объектом и вокруг него, логарифмический декремент их затухания, уровень грунтовых вод, влажность, температура, частоты и формы собственных колебаний объекта в целом, его блоков и отдельных элементов конструкции, величины смещений, скоростей смещений и ускорений в каждой точке измерений на объекте, логарифмические декременты затухания (поглощения), передаточные функции грунт - фундамент объекта, фундамент объекта - этажи и части объекта по высоте, компоненты динамических деформаций и напряжений, возникающих в объекте, и др.
Полученные параметры отображают фактическое физическое состояние эксплуатируемого объекта в целом, его блоков и отдельных элементов конструкции и используются для оценки степени опасности изменения интегральных характеристик состояния конструкций.
Полученные данные интегральных характеристик сравниваются с данными матрицы граничных значений интегральных характеристик, что позволяет оценить степень опасности изменения состояния здания или сооружения и принять при необходимости меры по оповещению и эвакуации людей, по углубленному обследованию здания/сооружения.
Недостатком этого способа, снижающим его точность и ограничивающим область применения, является то, что в его основе в качестве эталона используются расчетные интегральные характеристики компьютерной модели теоретической (проектной) конструкции здания/сооружения, с которыми сравниваются измеренные интегральные характеристики обследуемых реальных зданий/сооружений, и поэтому этот способ выявляет, прежде всего, изменения характеристик, связанных с отклонениями от проекта, например, во вновь возводимых объектах. Для уже существующих реальных объектов, особенно, для высотных зданий и крупных сооружений, имеющих длительный срок строительства, могут быть значительные, но допустимые отклонения от проекта, и поэтому проектные значения характеристик не могут быть эталонными для сравнения с реальными в процессе эксплуатации здания/сооружения. Кроме того, для объектов давней и старинной постройки, не всегда известен материал, из которого изготовлен объект, и, соответственно, его теоретические прочностные характеристики, а неразрушающий контроль не позволяет вскрыть его конструкцию.
Наиболее близким (прототипом) к предлагаемому изобретению является способ определения динамических характеристик основания и тела плотины ГЭС по микросейсмическим колебаниям (Золотухин Е.П., Кузьменко А.П. Система контроля динамических характеристик плотин гидроэлектростанций по микросейсмическим колебаниям. Журнал «Проблемы информатики», 2009, №4, С.1-8). Этот способ реализован в системе непрерывного мониторинга технического состояния плотин ГЭС, который можно в общем случае использовать и для других сооружений и зданий. Способ включает получение комплекса характеристик, отображающих техническое состояние здания или сооружения, подверженного воздействию вибраций от агрегатов и/или механизмов, являющихся источником колебаний, зарегистрированных с помощью группы трехкомпонентных сейсмических датчиков, размещенных в здании/или сооружении. Комплекс характеристик состоит из усредненных по всему зданию/сооружению значений: частот и форм собственных пространственных колебаний, логарифмического декремента затухания на частотах собственных колебаний, скоростей распространения упругих колебаний по объекту, передаточных функций между точками установки сейсмических датчиков, расположенных в основании и других частях конструкции сооружения. Способ включает установку трехкомпонентных сейсмических датчиков в контрольных точках здания/сооружения в местах, определенных из предварительного сейсмометрического обследования частот и форм собственных колебаний объекта. Эти места соответствуют проявлению на объекте максимальных значений некоторого количества первых значимых форм на частотах собственных колебаний конструкции объекта. Для получения максимальной точности выбранное количество частот и форм должно покрывать весь диапазона значений, полученный при обследовании объекта. Однако при этом количество контрольных точек с сейсмическими датчиками для максимальной точности мониторинга должно быть не менее двух на период для каждой выбранной для мониторинга формы собственных пространственных колебаний объекта. Выбор количества первых значимых форм на частотах собственных пространственных колебаниях объекта определяют из компромисса между точностью мониторинга и его трудоемкостью.
Места установки сейсмических датчиков в контрольных точках в этом способе определяют экспериментально, с помощью спектрального анализа измерений от сейсмических датчиков, размещенных по всему зданию/сооружению в сетке избыточной плотности, обеспечивающих определение форм в предполагаемом диапазоне собственных частот. Анализируя поведение спектра вдоль профилей наблюдения, выделяют «узлы» (минимальные колебания) и «пучности» (максимальные колебания) форм собственных пространственных колебаний объекта. Для специфических сооружений, таких, как плотины гидроэлектростанций, проводят два обследования: при минимальном и максимальном уровне верхнего бьефа воды в водохранилище, для выявления обратимых и необратимых сезонных изменений динамических характеристик.
Определение местоположения «узлов» и «пучностей» на объекте и количество выбранных для мониторинга частот и форм собственных колебаний позволяет успешно контролировать изменение вышеописанного комплекса характеристик объекта со значительно меньшим количеством датчиков, чем то, которое требуется на предварительном обследовании.
Используя выбранную минимальную систему измерений при проведении мониторинга динамических характеристик, в выбранных контрольных точках с помощью установленных трехкомпонентных сейсмоприемников осуществляется сбор данных микросейсмических колебаний объекта, которые затем оцифровываются, обрабатываются и сохраняются в виде файлов сеансов записей колебания объекта в файловом хранилище. По данным записей происходит определение динамических характеристик объекта -рассчитываются амплитудные спектры колебания, передаточные функции, импульсные характеристики, частоты и формы значимых собственных колебаний, скорости распространения волн и декременты затуханий. Полученные характеристики заносятся в базу данных для последующего построения трендов изменения значений характеристик во времени и дальнейшего анализа.
Ведение базы данных позволяет проследить историю изменения параметров во времени предварительного обследования и увидеть эксперту может медленное, но опасное изменение конструкции объекта. Это может служить сигналом для последующего детального обследования плотины.
Недостатком этого способа является то, что получаемый по данным измерений сейсмических колебаний комплекс характеристик содержит усредненные значения по всей конструкции здания/сооружения. Это приводит к тому, что обнаруженное существенное изменение параметров не дает возможности локализовать место возможного дефекта в сооружении/здании. Другим недостатком является то, что в силу усреднения параметров, снижается чувствительность способа, когда существенные изменения в одном месте конструкции не выявляют из-за влияния на средние характеристики неизменяемых значений параметров в остальных частях конструкции здания/сооружения. Третьим недостатком является то, что в способе не учитывается действие параметров окружающей среды, влияющие на комплекс характеристик объекта так же, как и изменение характеристик прочности материалов здания/сооружения. Все эти недостатки приводят к тому, что способ-прототип является неточным, имеет ограниченное применение из-за возможного пропуска (необнаружения) значимых дефектов и ложного обнаружения несуществующих дефектов в здании/сооружении.
Задачами предлагаемого изобретения является обеспечение возможности выполнения неразрушающим методом мониторинга технического состояния потенциально опасных объектов (плотин ГЭС, мостов, тоннелей, стадионов, морских пирсов, высотных зданий), в результате которого будет отслеживаться с заданной детализацией в объеме конструкции объекта текущее значение оценки предела прочности использованных в нем строительных материалов. Метод оценки предела прочности строительных материалов при мониторинге объектов не должен зависеть от изменяющегося действия окружающей среды - ее температуры, скорости ветра, уровня воды в плотине, полезной нагрузки на здание или мост. Кроме этого метод также должен обладать достаточной точностью, чтобы можно было оперативно обнаружить и локализовать начало процесса уменьшения прочности в какой-либо части потенциально опасного объекта.
Решение указанных задач достигается тем, что оценку предела прочности материала объекта выполняют косвенным путем через оценку модуля упругости, используя приближенные эмпирические зависимости между этими величинами для анализируемых материалов. Для этого выполняют параллельные испытания одних и тех же образцов строительных материалов для оценок характеристик упругости и предела прочности для обследуемого объекта.
Отличительной частью изобретения является то, что упругие свойства материала (модуль упругости Юнга и коэффициент Пуассона) определяют с помощью их подбора в конечно-элементной расчетной модели до достижения соответствия расчетных динамических характеристик (первых значимых частот и форм собственных пространственных колебаний), как интегральных, так и в контрольных точках объекта конструкции, при схожих внешних воздействиях к аналогичным экспериментальным характеристикам, которые определяют из спектрального анализа сейсмических сигналов, регистрируемых на обследуемом объекте в этих точках. Контрольные точки объекта выбирают на предварительном этапе вблизи действия максимальных значений собственных пространственных колебаний объекта для выбранного количества первых значимых форм. Экспериментальные частоты и формы собственных пространственных колебаний определяют из спектрального анализа сейсмических сигналов, регистрируемых на обследуемом объекте в этих точках. На этом же предварительном этапе строят расчетную модель, которая описывает пространственно-временные зависимости указанных динамических характеристик заданной конструкции объекта от плотности, упругих свойств материала объекта, граничных условий и действующей на него внешней силы. Подбор характеристик упругости материала с помощью модели проводят для каждой части, на которые разбивают всю конструкцию объекта. Размеры и форму частей конструкции объекта определяют необходимостью достижения требуемой пространственной точности определения дефекта на объекте. Параметры модели подбирают таким образом, чтобы, во-первых, расчетные частоты и формы собственных пространственных колебаний объекта при схожих внешних воздействиях удовлетворяли аналогичным экспериментальным значениям, полученным по результатам предварительного детального обследования, и, во-вторых, свойства материала объекта были сопоставимы с проектными данными.
Для учета действия внешней силы на оценку первых значимых частот и форм собственных пространственных колебаний объекта предлагаемый в изобретении способ сейсмометрического мониторинга технического состояния включает начальный этап.
На этом этапе выполняют измерение и накопление выбранного количества первых значимых экспериментальных частот и форм собственных пространственных колебаний объекта при действиях на объект внешней силы, вызванной условиями окружающей среды (температурой, ветром, напором воды и т.д.). Длительность начального этапа выбирается из условий проявления всего цикла действий внешней силы на объект и составляет обычно четыре сезона или один год. Накопленные на начальном этапе первые значимые экспериментальные частоты и формы собственных пространственных колебаний вместе с зафиксированными для каждого эксперимента условиями внешнего воздействия на объект обрабатываются на компьютере. Обработка данных включает в себя подбор теоретических значений модулей упругости и коэффициента Пуассона материала каждой части объекта для обеспечения минимального квадрата отклонения первых значимых теоретических частот и форм собственных пространственных колебаний от аналогичных экспериментальных в заданных контрольных точках объекта. Первые значимые теоретические частоты и формы собственных пространственных колебаний в контрольных точках получают с помощью конечно-элементной математической модели конструкции объекта, как значения векторной функции, в которой аргументами являются характеристики упругости материала, плотность, граничные условия и действие внешней силы. Полученные минимально квадратичные характеристики упругости, вместе с характеристикой силового воздействия и первыми значимыми теоретическими частотами и формами собственных пространственных колебаний объекта в выбранном количестве в контрольных точках запоминают как эталонные в базе данных.
На втором - основном этапе в процессе мониторинга выполняют текущую оценку технического состояния объекта. Для этого по выбранному ранее количеству первых значимых экспериментальных частот и форм собственных пространственных колебаний объекта, полученных из текущих зарегистрированных микросейсмических колебаний естественного и техногенного характера, выполняют подбор модуля упругости и коэффициента Пуассона с помощью конечно-элементной модели. Как и на начальном этапе, принимают такие текущие значения характеристик упругости материала каждой части объекта, которые дают минимальный квадрат отклонения первых значимых теоретических значений частот и форм собственных пространственных колебаний в контрольных точках от экспериментальных. Подобранные с помощью модели текущие значения характеристик материала для каждой части конструкции, вместе с соответствующими текущими первыми значимыми теоретическими частотами и формами собственных пространственных колебаний и параметрами окружающей среды заносят в базу данных. Затем в автоматизированном режиме выполняют сравнение эталонных значений характеристик материала, полученных на начальном этапе с текущими значениями характеристик для каждой части объекта. Для этого для всех записанных в базу данных текущих характеристик материала вычисляют разности между полученным на начальном этапе эталонным значением и всеми текущими значениями. Для этих разностей вычисляют среднее значение и квадратичное отклонение. Затем по критерию согласия определяют, относится ли полученное значение разности с заданным уровнем значимости к закону распределения вероятностей разностей между всеми текущими значениями и эталонным. Если по критерию согласия получается, что отклонение характеристик материала от эталона в какой-либо части конструкции объекта существеннее возможной случайной ошибки с заданной вероятностью, то данную часть конструкции объекта отмечают, как особую и подлежащую детальному обследованию.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в более точном определении места нарушения физического состояния объекта (здания/сооружения), т.е. повышении точности способа и расширении области применения по сравнению с описанными выше аналогами.
Для этого, как и в способе-прототипе, на объекте проводят предварительный этап - высокоточные сейсмометрические измерения естественного и техногенного сейсмического шума по всему объекту и определяют диапазон и количество частот и форм собственных колебаний и контрольные точки конструкции, в которых для стационарных наблюдений устанавливают трехкомпонентные сейсмоприемники. На этом же этапе, в отличие от известных способов, строят расчетную конечно-элементную трехмерную математическую модель объекта, связывающую характеристики свойств материала (модуль упругости, коэффициент Пуассона, плотность), пространственную конструкцию объекта, граничные условия, с выбранным количеством его первых значимых частот и форм собственных пространственных колебаний при заданных силовых воздействиях на объект, вызванных влиянием окружающей среды. При моделировании, конструкцию объекта разделяют на части, состоящие из одного или группы несущих элементов (фундаментов, стен, перекрытий, секций, отдельных опор), в которых материал принимается однородным, а их свойства - одинаковыми в пределах любой части. При этом значения свойств материалов одной части объекта от другой могут отличаться на некоторую величину. Разделение конструкции на части выполняют на основании проектно-строительной документации с привлечением произведенных в период эксплуатации экспериментальных замеров характеристик материалов - предела прочности, плотности и модуля упругости.
Затем, в отличие от известных способов, выполняют начальный этап накопления экспериментальных данных. В зависимости от типа объекта и условий его эксплуатации устанавливают промежуток времени для накопления и анализа данных, в течение которого происходит периодическое интервальное измерение сейсмических колебаний и сопутствующих этому моменту времени значений параметров внешних воздействий на объект. По этим измерениям с помощью спектрального анализа данных выполняют вычисление заданного количества первых значимых экспериментальных частот и форм собственных пространственных колебаний в контрольных точках объекта и накопление в базе данных полученных характеристик и соответствующих им параметров внешнего воздействия. Длительность промежутка времени накопления для некоторых объектов, например, для плотины ГЭС, может составлять год, в течение которого проходит цикл внешних воздействий, связанных с сезонными изменениями (температура и уровень верхнего бьефа ГЭС). Для других объектов, например, высотных зданий, длительность накопления зависит от вероятности проявления весомых факторов силового воздействия на объект в выбранном промежутке, например, проявления действия ветровой нагрузки, который может составлять промежуток времени в несколько месяцев. Основной критерий выбора длительности накопления - значение промежутка времени, в течение которого должны проявиться все значимые внешние воздействия, влияющие на динамические характеристики объекта. Накопление данных в течение заданного промежутка времени происходит регулярно с заданным периодом, определяемым скоростью изменения значений параметров внешнего воздействия на объект. Длительность интервала времени, в течение которого выполняют многоканальные периодические измерения в контрольных точках, задается заранее и определяется требуемой точностью определения первых значимых частот и форм собственных пространственных колебаний.
Затем выбирают из базы данных поочередно наборы записанных на начальном этапе первых значимых экспериментальных частот и форм собственных пространственных колебаний в контрольных точках объекта. Для них с помощью математической модели, меняя значения ее параметров: модуля упругости и коэффициента Пуассона, выполняют подбор теоретических значений частот и форм в этих точках и соответствующих условиях окружающей среды объекта. Затем анализируют величины отклонения теоретических от экспериментальных значений, на основании чего в модели задают изменения значений параметров - характеристик упругости строительных материалов для каждых частей конструкции модели здания/сооружения. Подбор ведут до тех пор, пока не будет получено согласие со всеми выбранными из базы данных наборами первых значимых экспериментальных частот и форм собственных пространственных колебаний в пределах минимальной среднеквадратической ошибки расхождения теоретических значений с экспериментальными. Таким образом, после идентификации модели на начальном этапе в ней учитывают изменение динамических характеристик от параметров внешнего воздействия (действие ветра, напора воды, полезной нагрузки от оборудования, температуры окружающей среды) с учетом сезонного изменения работы здания/сооружения.
После обработки всех данных из базы, полученные теоретические значения характеристик свойств материала (модуль упругости, коэффициент Пуассона), которые принимают за эталон, наборы первых значимых теоретических частот и форм собственных пространственных колебаний вместе с соответствующими данными о действии в тот момент окружающей среды также запоминают в базе данных.
Затем выполняется основной этап оценки технического состояния зданий/сооружений. Для этого в выбранных контрольных точках объекта через заданный промежуток и в течение заданного интервала времени с помощью трехкомпонентных сейсмических датчиков регулярно проводят текущие сеансы измерения сейсмических шумов техногенной и естественной природы, фиксируя при этом внешние условия, вызывающие силовое воздействие на объект. По измеренным сейсмическим шумам, описанным выше способом с помощью спектрального анализа, также рассчитывают текущие наборы первых значимых экспериментальных частот и форм собственных пространственных колебаний в контрольных точках объекта. Затем, также с помощью модели, в которой учитываются действие внешних сил в момент измерения, подбирают текущие значения свойств материалов каждой части объекта, которые дают минимальный квадрат отклонения полученных из модели заданного количества первых значимых теоретических частот и форм собственных пространственных колебаний объекта от экспериментальных частот и форм в контрольных точках. Подобранные с помощью модели текущие характеристики материала для каждой части вместе с соответствующими текущими первыми значимыми экспериментальными частотами и формами собственных пространственных колебаний в контрольных точках заносят в базу данных. Затем выполняют сравнение эталонных значений характеристик материала, полученных на начальном этапе, с текущими значениями характеристик для каждой части объекта. Для этого для всех записанных в базу данных текущих характеристик материала вычисляют разности между этим значением и значением, полученным на начальном этапе, - эталонным значением. Для этих разностей вычисляют среднее значение и квадратичное отклонение. Затем по критерию согласия определяют, относится ли анализируемое последнее текущее значение разности с заданным уровнем значимости к закону распределения вероятностей разностей между всеми значениями из базы данных и эталонным. Если по критерию согласия получается, что отклонение характеристик материала от эталона в какой-либо части конструкции объекта существеннее возможной случайной ошибки с заданной вероятностью, то данную часть конструкции объекта отмечают как особую и подлежащую детальному обследованию.
Таким образом, реализация предлагаемого способа позволит:
- определять с заданной детализацией в объеме конструкции объекта текущее значение оценки упругих свойств использованных в нем строительных материалов;
- выполнять оценку технического состояния в условиях изменяющегося действия окружающей среды - ее температуры, скорости ветра, уровня воды в плотине, полезной нагрузки на здание или мост;
- обладать высокой чувствительностью (точностью), чтобы быть способным оперативно обнаружить и локализовать начало процесса уменьшения прочности в какой-либо части потенциально опасного объекта;
- обеспечивать данными для оценки безопасности дальнейшей эксплуатации, целесообразности ремонта, необходимости реконструкции, выработки предложений по усилению конструкций зданий или сооружений;
- использовать полученную информацию для формирования статистики о работоспособности зданий и сооружений, эксплуатирующихся в различных условиях с целью корректировки технических решений, норм проектирования, эксплуатации и ремонта зданий или сооружений;
- оперативно информировать о безопасности зданий/сооружений для пользователей.
Это достигается тем, что в предлагаемом сейсмометрическом способе мониторинга технического состояния зданий и/или сооружений, в отличие от известных способов, во-первых, разрабатывают расчетную конечно-элементную математическую модель, связывающую отношениями заданное количество первых значимых теоретических частот и форм собственных пространственных колебаний объекта, разделенного на некоторые конструктивные части, со свойствами материала каждой такой части, граничными условиями, при воздействиях на объект внешней силы, вызванной окружающей его средой. Во-вторых, в отличие от известных способов, в течение заданного времени выполняют начальную оценку характеристик упругости материалов выделенных частей конструкции объекта, которую принимают за эталон. Этот промежуток времени, в течение которого должны проявиться все значимые внешние воздействия, влияющие на динамические характеристики объекта, устанавливают для накопления и анализа данных в зависимости от типа объекта и условий его эксплуатации. Накопление данных в течение заданного промежутка времени происходит регулярно с заданным периодом, определяемым скоростью изменения значений параметров внешнего воздействия на объект. Для этого, в течение выбранного промежутка накопления данных, с определенным периодом проводят измерения трехкомпонентными сейсмическими датчиками, размещенными в здании/или сооружении в контрольных точках. По этим измерениям, используя спектральный анализ, рассчитывают заданное количество первых значимых экспериментальных частот и форм собственных колебаний по трем осям координат здания и/или сооружения в этих контрольных точках. Полученные данные вместе с параметрами внешнего воздействия на объект (температурой воздуха, уровнем воды, скоростью ветра и др.) запоминают в базе данных. Затем, методом направленного подбора значений характеристик материала для каждой части конструкции объекта с учетом действия силы, вызванной внешним воздействием, с помощью расчетной модели находят оптимальные значения характеристик материала, минимизирующие квадрат отклонения заданного количества первых значимых экспериментальных частот и форм собственных пространственных колебаний объекта от теоретических частот и форм в контрольных точках. Полученные оптимальные значения характеристик материала и первые значимые теоретические частоты и формы собственных пространственных колебаний объекта вместе с параметрами действия окружающей среды запоминают в базе данных, как эталонные.
Затем, в-третьих, в отличие от известных способов, выполняют периодическую оценку характеристик упругости материалов объекта и сравнение их с эталоном. Для этого, выполняя текущие измерения микросейсмических шумов в выбранных контрольных точках объекта, используя спектральный анализ, определяют заданное количество первых значимых экспериментальных частот и форм собственных пространственных колебаний здания и/или сооружения в этих точках. Затем подбирают с помощью ранее построенной математической модели, в которой также учитываются действие внешних сил в момент измерения, такие значения свойств материалов каждой части объекта, которые дают минимальный квадрат отклонения полученных из модели первых значимых теоретических частот и форм собственных пространственных колебаний объекта от экспериментальных частот и форм. Подобранные с помощью модели текущие характеристики материала для каждой части и текущие первые значимые частоты и формы собственных пространственных колебаний заносят в базу данных. Затем выполняют сравнение значений характеристик материала, полученных на начальном этапе с текущими значениями характеристик для каждой части объекта. По критерию согласия определяют, является ли отклонение текущего значения характеристики материала некоторой части конструкции объекта с заданной вероятностью от его эталонного значения, случайной величиной или нет. Если по критерию согласия получают, что отклонение характеристик материала от эталона в какой-либо части конструкции объекта не является случайной ошибкой с заданной вероятностью, то данную часть конструкции объекта отмечают как особенную и подлежащую детальному обследованию.
Таким образом, сейсмометрический способ мониторинга технического состояния зданий и/или сооружений характеризуется следующей совокупностью признаков изобретения. Во-первых, это выбор количества анализируемых первых значимых частот и форм собственных пространственных колебаний и контрольных точек измерений, соответствующих местам, близким к максимальным значениям форм собственных колебаний зданий и/или сооружений, установка сейсмических датчиков в выбранных точках на обследуемом здании и/или сооружению. Во-вторых, это выполнение периодической с заданным шагом и в течение заданного интервала времени (сеанса) сейсмической регистрации и обработки записей по трем пространственным координатам микросейсмического фона естественного и техногенного происхождения, в условиях которого постоянно находится здание и/или сооружение.
В-третьих, это определение для каждого текущего сеанса измерения интегральных динамических характеристик: первых значимых частот и форм собственных колебаний, декрементов затухания, скоростей распространения сейсмических волн по трем осям координат здания и/или сооружения в этих контрольных точках, сравнение значений этих характеристик текущего сеанса с ранее полученными подобным образом и анализ отклонения от этих значений. В-четвертых, способ отличается от известных тем, что выполняют разработку расчетной конечно-элементной математической модели, связывающей отношениями заданное количество первых значимых теоретических частот и форм собственных пространственных колебаний объекта, разделенного на некоторые конструктивные части, со свойствами материала каждой такой части при определенных граничных условиях и воздействиях на объект внешней силы, вызванной окружающей его средой. В-пятых, способ отличается от известных тем, что вначале в течение времени выбранной длительности выполняют накопление экспериментальных данных - через заданные заранее интервалы времени в течение заданного сеанса измеряют трехкомпонентные сейсмические сигналы в контрольных точках здания и/или сооружения, по которым с помощью спектрального анализа вычисляют заданное количество первых значимых экспериментальных частот и форм собственных пространственных колебаний здания или сооружения в этих точках, которые запоминают в базе данных. Затем в автоматизированном режиме, с помощью разработанной численной конечно-элементной математической модели проводят итерационный подбор таких эталонных значений модулей упругости материала каждой части конструкции, которые в выбранных контрольных точках здания и/или сооружения минимизируют квадрат отклонения заданного количества первых значимых теоретических частот и форм собственных пространственных колебаний от аналогичных экспериментальных частот и форм. Этот подбор выполняют по всем данным, полученным из базы данных для всего времени накопления при действии всех учитываемых факторах окружающей среды. Полученные эталонные значения модулей упругости материалов здания и/или сооружения для ранее выбранных частей конструкции вместе с параметрами воздействия окружающей среды и заданного количества первых значимых теоретических частот и форм собственных пространственных колебаний в контрольных точках объекта запоминают в базе данных. В-шестых, способ отличается от известных тем, что после получения эталонных данных модулей упругости, через заданные заранее интервалы времени в течение заданного сеанса выполняют трехкомпонентными датчиками текущие измерения сейсмических сигналов в контрольных точках здания и/или сооружения, по которым, так же как в описанном выше начальном этапе, определяют заданное количество текущих первых значимых экспериментальных частот и форм собственных пространственных колебаний здания и/или сооружения в этих точках. Затем подбирают в автоматизированном режиме с помощью ранее построенной конечно-элементной математической модели, в которой также учитывают действие внешних сил в момент измерения, такие текущие значения характеристик упругих свойств материалов (модуля упругости Юнга и коэффициента Пуассона) каждой части объекта, которые дают минимальный квадрат отклонения для заданного количества полученных из модели первых значимых теоретических частот и форм собственных пространственных колебаний объекта от экспериментальных частот и форм в этих точках. Затем извлекают из базы данных эталонные значения характеристик упругих свойств материалов и вычисляют разность между эталонными и текущими значениями этих характеристик. Полученную разность затем оценивают по критерию согласия с заданной вероятностью как значимую или незначимую, и в случае признания отклонения от эталона в какой-либо части объекта значимым, эту часть отмечают, как особенную для последующего дополнительного обследования этой части объекта.
Заявляемый способ мониторинга может быть осуществлен, например, посредством автоматизированной системы сейсмометрического мониторинга (АССМ) технического состояния плотины ГЭС, структурная схема которой изображена на фиг.1; на фиг.2 приведена конечно-элементная трехмерная модель плотины ГЭС, фиг.3 иллюстрирует определение частот собственных поперечных колебаний плотины по спектру передаточной функции. На фиг.4 приведен пример пространственного изображения первой формы поперечных колебаний (график амплитуд первой собственной частоты) плотины Красноярской ГЭС, а на фиг.5 - пример второй формы поперечных колебаний.
Структура АССМ (фиг.1) включает сервер с автоматизированным рабочим местом оператора 1, автоматизированное рабочее место специалиста-исследователя 2, источник бесперебойного питания 3, функциональный блок сбора и предварительной обработки микросейсмических колебаний 4, пункты наблюдения (сейсмоприемники) 5, информационно-обрабатывающий центр 6, пункт сбора сейсмической информации 7.
В структуре АССМ выделяется три уровня:
- первый (нижний) уровень - пункты наблюдения 5, состоящие из трехкомпонентных пьезоэлектрических сейсмометрических датчиков с кабелями;
- второй (средний) уровень - пункт сбора сейсмической информации 7, представляющий собой функциональный блок сбора и предварительной обработки микросейсмических колебаний 4;
- третий (верхний) уровень - информационно-обрабатывающий центр 6, представляющий собой сервер с автоматизированным рабочим местом оператора 1 и автоматизированное рабочее место специалиста-исследователя 2, включенное в локальную сеть предприятия.
Для осуществления мониторинга на основании предварительных исследований определяют диапазон и количество частот и форм собственных колебаний объекта и выбирают схему наблюдений в контрольных точках плотины. Из анализа диапазона форм выбирают для последующего мониторинга нужное количество первых значимых частот форм собственных колебаний объекта. Контрольные точки выбирают таким образом, чтобы места установки датчиков не попадали в «узлы» выбранных значимых форм собственных пространственных колебаний плотины и размещались по всему телу объекта.
В АССМ предварительно усиленный сигнал от сейсмоприемников 5 по коаксиальному кабелю поступает в функциональный блок сбора и предварительной обработки микросейсмических колебаний 4. Каждый канал блока содержит программно-настраиваемый усилитель, фильтр нижних частот с программно-настраиваемой частотой среза, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор и интерфейс. Через интерфейс каждый канал связан с микроконтроллером, который в свою очередь связан с сервером 1 по локальной сети.
На основе материалов проектирования, проектно-изыскательных работ, данных испытаний характеристик прочности строительных материалов объекта за предыдущий период эксплуатации, в АРМ специалиста-исследователя 2 информационно-обрабатывающего центра с помощью компьютерной программы формируют расчетную конечно-элементную математическую модель конструкции здания/сооружения и модель нагрузок и воздействий на здание/сооружение. Конечно-элементная математическая модель всей конструкции здания/сооружении состоит из частей, размеры которых заданы заранее из требования точности определения возможного дефекта. Конечно-элементная математическая модель связывает отношениями частоты и формы собственных пространственных колебаний объекта со свойствами материала всех частей объекта при определенных граничных условиях и воздействиях на объект окружающей его среды. Пример такой конечно-элементной модели плотины для Красноярской ГЭС, которая реализуется на пакете программ для моделирования ANSYS, приведен на фиг.2.
<mrow><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub><mo>≤</mo><mi>t</mi><mo>≺</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow>
Затем выполняют начальный этап. Для этого, используя выбранную минимальную систему измерений 5, для определения экспериментальных динамических характеристик в m выбранных контрольных точках объекта, размещенных в теле объекта с каждого k-го (k=1,…,m) трехкомпонентного (x,y,z) сейсмоприемника, преобразованный в цифровую форму сейсмический сигнал U, (x,y,z,t) в заданный i интервал времени {
} одновременно от всех сейсмоприемников вводится через функциональный блок сбора и предварительной обработки микросейсмических колебаний 4 в АРМ специалиста-исследователя 2 системы мониторинга АССМ. Эти измерения повторяют N раз, что составляет сеанс измерения. Выбор количества измерений N в сеансе определяется точностью (заданной среднеквадратической ошибкой) получения оценки спектров с в контрольных k точках.
Данные измерений каждого сеанса записывают в файловое хранилище сервера 1, затем передаются в АРМ специалиста-исследователя 2, где с помощью программы спектрального анализа рассчитываются средние значения амплитудно-фазового спектра в каждой критической точке по трем компонентам. А по результатам спектрального анализа рассчитываются заданное заранее количество первых значимых экспериментальных частот и форм собственных пространственных колебаний объекта согласно [1] (фиг.3). Значения экспериментальных частот и форм пространственных колебаний, информацию об окружающей среде (температуру, действующую нагрузку от ветра, воды, транспорта, и т.д.) заносят в базу данных АРМ специалиста-исследователя 2. Накопление экспериментальных оценок выполняют регулярно сеансами в течение интервала времени, необходимого для проявления в заданном диапазоне всех действующих факторов окружающей среды на значение динамических характеристик объекта. Например, для мониторинга плотины ГЭС, начальный этап составляет 12 месяцев ежедневных двух сеансов измерений, каждого длительностью 10 минут.
Затем, на этом же этапе, после проведения всего интервала накопления данных о внешних факторах, с помощью АРМ специалиста-исследователя 2, на которой размещена программа расчета численной конечно-элементной математической модели конструкции здания и/или сооружения, в автоматизированном режиме проводят итерационный подбор оптимальных значений характеристик упругости материала (модуля упругости и коэффициента Пуассона) каждой части конструкции объекта. Эти части конструкции состоят из группы конструктивных элементов (фундаментов, оснований, секций, стен, перекрытий, опор). Параметрами программы расчета являются, во-первых, характеристики материала объекта, во-вторых, температура, силовая нагрузка и дополнительная масса на объект из-за действия факторов окружающей среды, в-третьих, пространственная конструкция объекта и граничные условия. Результатами расчета программы являются значения выбранного количества первых значимых теоретических частот и форм собственных пространственных колебаний в контрольных точках. Например, для десяти контрольных точек и первых четырех значимых частот и форм для трех пространственных координат, программа выдаст четыре значения частот и 120 значений относительных амплитуд форм собственных пространственных колебаний объекта, привязанных к координатам объекта и осям пространства. Оптимальные значения характеристик упругости материалов всех частей конструкции объекта должны минимизировать квадрат отклонения в контрольных точках заданного количества рассчитанных с помощью математической модели первых значимых теоретических частот и форм собственных пространственных колебаний от аналогичных экспериментальных, выбранных из базы данных АРМ специалиста-исследователя 2 за весь период накопления с учетом факторов внешнего воздействия, действующего в момент времени измерения. Оптимальные значения модуля упругости для выбранных частей конструкции здания и/или сооружения вместе с параметрами внешнего воздействия и первыми значимыми теоретическими частотами и формами собственных пространственных колебаний запоминают в базе данных АРМ специалиста-исследователя 2 как эталонные. По ним строятся пространственные графики значений модулей упругости и графики первых значимых теоретических частот и форм собственных пространственных колебаний в зависимости от действующей на модель нагрузки. На фиг.4 приведен пример пространственного изображения первой формы поперечных колебаний (график амплитуд первой собственной частоты) плотины Красноярской ГЭС, а на фиг.5 - второй формы поперечных колебаний.
Основной этап мониторинга технического состояния зданий/сооружений с помощью АССМ выполняет следующим образом. Составляют расписание измерений на контролируемом объекте, которое вводят в программу мониторинга, размещенной на сервере с АРМ оператора 1 системы. Затем, в этой же программе выполняют переход в режим измерения и оценки технического состояния объекта по заданному расписанию. При наступлении момента времени сеанса измерения по расписанию, сервер 1 выдает команду в функциональный блок сбора и предварительной обработки микросейсмических колебаний 4. Блок 4 запускает сеанс измерения сейсмических сигналов с датчиков, размещенных в контрольных точках. Сеанс измерения технически выполняют так же, как и на начальном этапе. Файлы данных измерений каждого сеанса так же, как и на начальном этапе, записывают в файловое хранилище сервера 1, затем передают в АРМ 2, где также с помощью программы спектрального анализа рассчитывают средние значения амплитудно-фазового спектра в каждой критической точке по трем компонентам. Затем по результатам спектрального анализа аналогично начальному этапу определяют заданное количество первых значимых частот и формы собственных пространственных колебаний. Полученные значения экспериментальных первых значимых частот и форм собственных пространственных колебаний, информацию об окружающей среде (температуре, действующей нагрузке от ветра, воды, транспорта и т.д.) заносят в базу данных АРМ специалиста-исследователя 2. Затем в АРМ 2 передают управление программе оценки текущих значений характеристик упругости объекта. Для этого полученные текущие значения выбранного количества первых значимых экспериментальных частот и форм собственных пространственных колебаний извлекают из базы данных и к ним, с помощью программы численного моделирования объекта, в автоматизированном режиме, как и на начальном этапе, проводят итерационный подбор оптимальных значений модулей упругости материала каждой части конструкции объекта. Оптимальные значения модуля упругости также должны минимизировать квадрат отклонения заданного количества рассчитанных с помощью математической модели первых значимых теоретических частот и форм собственных пространственных колебаний от аналогичных экспериментальных. Затем в АРМ 2 передается управление программе статистического анализа. По этой программе полученные эталонные значения модуля упругости материала каждой части конструкции объекта извлекают из базы данных и сравнивают с текущими оптимальными значениями модулей упругости. Для этого вычисляют разницу между эталонными и текущими значениями, которую затем оценивают по критерию согласия с заданной вероятностью как незначимая или значимая. В случае признания отклонения от эталона в какой-либо части объекта значимой, эта часть считается особой, на экран АРМ 2 выдается соответствующее сообщение оператору для дополнительного обследования этой части объекта.
Заявляемое изобретение промышленно применимо и имеет изобретательский уровень, а заявленная совокупность отличительных признаков обладает новой устойчивой взаимосвязью, что позволяет решить заявленную техническую задачу с заявленным техническим результатом.
Основные идеи предлагаемого способа мониторинга реализованы на основе автоматизированной системы сейсмометрического мониторинга (АССМ), включающей АРМ с инсталлированным специализированным программным обеспечением, сервер, функциональный блок сбора и предварительной обработки, трехкомпонентные сейсмоприемники в проекте системы мониторинга технического состояния плотины Красноярской ГЭС (г.Дивногорск), и подтвердили свою работоспособность.
Литература
1. Кузьменко А.П., Сабуров B.C. Определение упругих свойств бетона плотин ГЭС по скоростям сейсмических волн // Известия ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева. - 2006. - Т.245. С.259-269.