Методические основы дистанционного мониторинга состояния строительных конструкций зданий и сооружений

Научно-технические разработки

УДК 699.8

А.Ю. Кудрин к.т.н., С.А. Качанов д.т.н., Г.М. Нигметов к.т.н., М.Ю. Прошляков

МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДИСТАНЦИОННОГО МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Описан порядок получения высокоточных геометрических параметров, который позволяет выявить возможные деформативные изменения и конструктивно-планировочные изъяны

Большое количество случаев катастрофического обрушения зданий, происходящих в последние годы во всех странах независимо от уровня их развития, говорит об острейшей необходимости применения новейших технологий диагностики и мониторинга зданий и сооружений.

Наиболее существенным недостатком в области диагностики и мониторинга зданий является отсутствие технологий, обеспечивающих интегральную оценку системы грунт-здание в трехмерной динамической постановке и ее увязки с интегрированной системой мониторинга безопасности и жизнеобеспечения всего объекта.

Существующие подходы диагностики носят локальный, разрушающий характер и основываются, в первую очередь, на визуальном и прочностном кон-тролях с отбором проб материала и изучением конструктивного исполнения отдельных конструктивных элементов путём вскрытия узлов, защитных слоев и отрывкой шурфов для изучения строения фундаментов. Понятно, что производя локальный контроль, то есть концентрируясь на частностях, можно не уяснить главный механизм и причины уязвимости объекта к воздействию возможных нагрузок. Такой же локальный подход существует при проектировании зданий, то есть грунты и фундаменты рассматриваются отдельно от самого здания, нет единого подхода по расчёту системы грунт-здание как единой системы.

Известно, что в процессе эксплуатации здания и сооружения изнашиваются и теряют свою несущую способность. Наибольший износ здания и сооружения получают при воздействии сейсмических и вибрационных нагрузок. Понятно, что источниками сейсмических нагрузок могут быть не только землетрясения, но и промышленные взрывы, например при добыче железной руды. Источниками вибрационных нагрузок являются крупные промышленные установки, наземные и подземные транспортные средства. От постоянного или периодического воздействия таких нагрузок в зданиях (сооружениях) могут накапливаться и в некоторый момент времени лавинообразно образовываться сильные, тяжелые и катастрофические разрушения конструктивных элементов. Эксплуатация зданий с поврежденными конструктивными элементами может привести к катастрофическим обрушениям зданий (сооружений) в

том числе, и с большими человеческими жертвами.

Постановлением Правительства РФ от 20.08.2002 г. № 619 ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ) было поручено разработать технологии обеспечения инженерной безопасности (реальной устойчивости, сейсмостойкости и остаточного ресурса долговечности) зданий, сооружений, технологических систем и экспертизу этих технологий, а также создать комплекс программно-технических средств для мониторинга, прогнозирования и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций.

Выполняя требования постановления Правительства Российской Федерации институтом разработана оригинальная технология, которая впервые обеспечивает комплексный подход и позволяет проводить полный цикл работ по изучению системы «грунт — основание — здание (сооружение)», включающей изучение геометрических, физико-механических и динамических параметров системы (рис. 1). Технология прошла апробацию на многих объектах, как в России, так и за рубежом (в Турции, Иране, Германии и Греции).

Суть предлагаемой технологии состоит в следующем. Получение высокоточных геометрических параметров позволяет выявить возможные деформа-тивные изменения и конструктивно-планировочные изъяны. Геометрические параметры могут сниматься за один сеанс или за несколько сеансов, разнесенных во времени. Например, деформативные изменения здания Минздрава России на ул. Неглинной в г. Москве снимались в два этапа: зимой и поздней весной. Съемка производилась высокоточными геодезическими спутниковыми приемниками типа «Trimble» 4000SSE. Антенны приемников закреплялись на жестко заделанные в конструктивные элементы крыши здания — анкеры. В результате анализа данных выявились деформативные изменения во времени. Непрерывные данные по изменению геометрии системы грунт-здание можно также получать с применением высокоточных датчиков наклонов. Разовые геодезические съемки производились высокоточными тахеометрами «Trimble», при этом снималась не только пространственная геометрия здания, но и геометрия площадки, включая рельеф. Известно, что «перекошенная» геометрия конструктивной системы и рельеф местности существенно влияют на уязвимость зданий (сооружений).

иешши

Рис. 1. Технология оценки устойчивости системы грунт-здание

Снятие физико-механических характеристик весом до 10 кг. Сейсморазведочный комплекс снима-грунта с их геометрической привязкой производится ет портрет распространения и отражения сейсмичес-методом сейсморазведки. Возбуждение сейсмическо- ких волн, по которому производится интерпретация го сигнала может проводиться ударами жесткой массы и определяются необходимые физико-механические

Научно-технические разработки

Научно-технические разработки

характеристики слоев. Кроме того, определяются динамические параметры грунтового массива.

Для уточнения уровня грунтовых вод, геометрического строения грунтового массива и наличия подземных коммуникаций применяется метод электромагнитного зондирования георадарами.

Физико-механические и геометрические характеристики конструктивных элементов здания определяются ультразвуковыми и электромагнитными приборами, а также электронным склерометром. Данные должны сниматься поэтажно на несущих и ненесущих конструктивных элементах.

Наиболее точное представление о текущем состоянии здания (сооружении) — его степени износа и наличии скрытых дефектов получается после выполнения динамических испытаний. Испытания проводятся с применением мобильного диагностического комплекса «Струна-2». Комплекс представляет собой многоканальную сейсмовиброизмерительную систему. Измерение может производиться одновременно по 32 каналам. Динамические параметры здания (сооружения) снимаются при возбуждении их импульсными ударами мягкой массой весом до 40 кг. Удары, как правило, производятся в верхней части здания (сооружения). Информация о реакции здания (сооружения) на импульсные удары записывают сейс-мовибрационные датчики, установленные как по высоте, так и по длине здания (сооружения). Наиболее интересные результаты получаются, когда производится динамическое возбуждение грунтового массива импульсной установкой, а датчики устанавливаются, как у импульсной установки, так и непосредственно внутри здания. Удаётся получить реакцию системы грунт-здание на заданную динамическую нагрузку и портрет прохождения сейсмических волн от источника динамической нагрузки до отдельных конструктивных элементов здания.

Интерпретация, полученных результатов дает возможность достаточно уверенно сделать вывод о сейсмостойкости (устойчивости) зданий (сооружений).

Все результаты измерений сводятся в отдельные разделы паспорта сейсмобезопасности (устойчивости). В конце паспорта производится итоговый комплексный анализ и делается вывод о сейсмостойкости (устойчивости) здания (сооружения), даются рекомендации по повышению сейсмостойкости (устойчивости).

Для более точной оценки устойчивости системы грунт-здание применяются также данные по «портрету» сейсмических волн в системе грунт-здание. Оцениваются величины амплитуд ускорений и времена прохождения сейсмических волн при известных данных по местам расстановки датчиков и заданном месте установки импульсного источника.

В настоящее время, как в России, так за рубежом развивается новое направление работ по автоматизации функций контроля и управления системами безопасности и жизнеобеспечения объектов. Актуальность этих работ подтверждается выходящими нормативными документами как федерального, так

и регионального уровня. Так, например, в настоящее время действуют: национальный стандарт ГОСТ Р 22.1.12—05 «Безопасность в ЧС. Структурированная система мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений. Общие требования»; «Методика оценки систем безопасности и жизнеобеспечения на потенциально опасных объектах, зданиях и сооружениях»; закон г. Москвы от 7 апреля 2004 г. № 21 «О мониторинге технического состояния жилых домов на территории г. Москвы»; постановление Правительства Москвы от 18 мая 2004 г. № 320-пп «О мониторинге состояния строительных конструкций большепролетных, высотных и других уникальных зданий и сооружений, строящихся и эксплуатируемых в г. Москве»; Московские городские строительные нормы (МГСН 4.19—05 «Многофункциональные высотные здания и комплексы»). Во всех перечисленных выше документах есть требование осуществлять постоянный мониторинг состояния несущих конструкций зданий и сооружений, как составной части обеспечения комплексной безопасности объектов.

В связи с этим, институтом совместно с входящими в корпорацию ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ) компаниями «ЭкоПрог», НПО «ДИАР» и учебноконсультационным центром «Базис» разработан аппаратно-программный комплекс для непрерывного контроля прочности, устойчивости и остаточного ресурса зданий и сооружений. Комплекс позволяет проводить мониторинг высотных и подземных сооружений, магистральных трубопроводных систем, гидротехнических сооружений, линий электропередач и других конструктивных систем.

Перед установкой комплекса обязательно производится техническое обследование объекта. При этом определяются исходные геометрические, физикомеханические и динамические параметры системы грунт-здание, на основе которых разрабатывается проект системы мониторинга устойчивости здания.

На контролируемом объекте прокладываются кабельные линии, расставляются датчики, устанавливается контроллер и в помещении, выделенном Заказчиком, размещается терминал диспетчера. Связь между терминалом и контроллером осуществляется либо посредством модема, либо сетью ЕШегпе1. Обработанные данные поступают как на терминал диспетчера, так и на специальный Шетпе^сайт. Благодаря этому, владелец объекта, находясь в любой точке Земли, сможет узнать его техническое состояние. В случае возникновения критических ситуаций, информация передается как в диспетчерские службы объекта, так и в ЕДДС города для принятия срочных мер по предупреждению ЧС и спасению людей. Категории технического состояния определяются по «Методике оценки и сертификации инженерной безопасности зданий и сооружений», разработанной в ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ) МЧС России. Методика аттестована и рекомендована Правительственной комиссией по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций и обеспечению пожарной безопасности. На

терминал диспетчерских служб устанавливается специальное программное обеспечение, которое интерпретирует и отображает полученные от измерительного комплекса данные о техническом состоянии строительной конструкции. На рис. 2. представлено окно программы.

Большой круг в левой части окна экрана про-

граммы показывает категорию состояния здания. Состояние каждого датчика отображается группой маленьких кружков в центральной и правой части окна (датчик А-1 обозначает акселерометр № 1, а датчик И-1 обозначает инклинометр № 1). Пример расстановки датчиков для мониторинга устойчивости зданий приведён на рис. 3.

Мониторинг -_|Е| _*11

ииі^іинпис .здапин

/"""Ч (§) Датчик А-1 Датчик И-1

( ' ) Й§) Датчик А-2 |@) Датчик И-2

(С$ Датчик А-3 |Ц) Датчик И-3

Датчик А-4 ^ Датчик И-4

-1 категория ^ - II категория ^ - III категория

Данные получены 00:05 01.01.2005

Рис. 2. Окно программы для мониторинга устойчивости зданий

а)

б)

в)

акселерометр контроллера комплекса

і - инклинометр ---------------- кабельные линии

Рис. 3. Пример расстановки датчиков для мониторинга многоэтажного здания. Пример схемы расположения датчиков, контроллера и кабельных линий (измерительный комплекс): а) с фасада здания; б) на плане чердака; в) на плане подвала

Научно-технические разработки