Мониторинг территорий, зданий и сооружений для повышения достоверности результатов при независимой оценке рисков

УДК 614.8

Мониторинг территории, здании и сооружении для повышения достоверности результатов при независимой оценке рисков

© Технологии гражданской безопасности, 2009

С.А. Качанов Г.М. Нигметов

Аннотация

Точность расчётов по оценке величин рисков зависит от точности прогноза параметров опасности и точности оценки уязвимости объектов, находящихся в поле воздействия опасности.

В статье рассматриваются подходы по оценке долгосрочных, среднесрочных и краткосрочных рисков, приводятся примеры. Для непрерывной краткосрочной оценки рисков и опасностей предлагается выполнять мониторинг системы «грунт - сооружение» с применением расчётно-экспериментального подхода.

Ключевые слова: уязвимость объектов, величины рисков, прогнозы.

Monitoring of areas, buildings and structures for better reliability of results in independent risk assessment

© Civil Security Technology, 2009

S. Kachanov G. Nigmetov

Abstract

The accuracy of risk assessment depends on the accuracy of predicted hazard parameters and that of vulnerability assessment of the exposed facilities.

The paper discusses approaches to, and provides examples of the assessment of long-, medium-and short-term risks. "Ground-structure" system monitoring based on the use of a computational and experimental approach is suggested for continuous short-term assessment of risks and hazards.

Key words: vulnerability of facility, risk levels, forecasts.

Большую часть своего времени люди проводят в зданиях и сооружениях. Здания и сооружения могут подвергаться не только воздействию внешних и внутренних опасностей, но и опасности непрерывного старения конструктивных и инженерных систем. Все опасности могут привести к внезапному катастрофическому обрушению конструктивных систем или аварийному отказу инженерных систем.

Воздействие опасностей или нагрузок на здания и сооружения, приводящие к катастрофическим обрушениям, повышают индивидуальный риск для людей, находящихся в зонах воздействий полей опасностей.

Под индивидуальным риском понимается комплексная величина, показывающая отношение возможных потерь на рассматриваемой территории, здании или сооружении от воздействия возможных опасностей в рассматриваемый интервал времени, к количеству людей, находящихся в зоне воздействия опасности.

Известно, что индивидуальный риск нормируется и величина нормы находится в интервале 10-4—10-6 1/год. Сравнивая полученную величину индивидуального риска с нормативными величинами, можно более точно спланировать мероприятия по его снижению.

Для прогностической оценки индивидуального риска для населения при возможных опасностях в условиях застройки необходимо иметь решение следующих задач.

Первое, задачи определения возможных видов и очагов опасностей в прогнозируемый период на рассматриваемой территории.

Второе, задачи определения возможного поля нагрузок в эпицентральной зоне возможных очагов опасностей.

Третье, задачи определения уязвимости зданий и сооружений, находящихся в возможной зоне воздействия опасностей.

Четвёртое, задачи определения уязвимости объектов, попадающих в поле нагрузок, степень их повреждения и возможные потери среди населения.

Пятое, задачи определения индивидуального риска при известных данных о потерях среди населения и количестве людей, находящихся в катастрофических зонах.

Понятно, что величину индивидуального риска невозможно точно получить без информации о параметрах опасности и уязвимости объектов. Наиболее точно величины опасностей и рисков могут быть определены с использованием мониторинговой информации.

Мониторинговая информация о параметрах объектов должна поступать непрерывно или дискретно во времени в зависимости от вида прогноза. Прогнозы бывают долгосрочные, среднесрочные и краткосрочные. При прогнозировании катастрофических обрушений зданий и сооружений получаются наиболее высокие величины рисков.

Опыт эксплуатации зданий и сооружений показыва-

ет, что большинство повреждений, которые они получают связаны с воздействием геологических опасностей.

Однако задачи определения возможных очагов геологических опасностей таких, как карсты, просадки, оползни и землетрясения на краткосрочный период времени считаются трудно решаемыми или не решаемыми. В Агентстве МЧС России по мониторингу и прогнозированию чрезвычайных ситуаций в научно-экспериментальном порядке с 1995 года ведётся работа по краткосрочному мониторингу и прогнозированию возможных очагов сейсмической активности территорий на основе комплексного анализа предвестниковой информации по изменению метеорологических, сейсмических, геодинамических и электромагнитных параметров. Результаты прогнозов по территории Евразии в виде зон сейсмической активности трех категорий: легкой (магнитуда М меньше, либо равно 4.5); средней (М больше 4.5, но меньше 6.5); сильной ( М больше 6.5) помещались на веб-сайте Агентства с опережением на 3—7 дней.

Краткосрочные прогнозы реализовались для сильных сейсмических событий в Иране (декабрь 2003г. в районе г. Бам, 2006 г.), северной Африке

(2004г.), Японии (2004г.). Анализ полученной прогностической информации показал, что не реализовавшись в краткосрочный период, прогнозируемые очаги могут реализоваться в среднесрочном и долгосрочном интервалах времени. Пример прогноза очага катастрофического землетрясения по территории Китая, который был дан 12.03.07 и сработал через 14 месяцев — в мае 2008 года, приведён на рис. 1; желтым кружком указана зона катастрофического землетрясения в Китае.

Многолетний анализ данных по изменению атмосферного давления показывает, что атмосферное давление является достаточно чувствительным параметром и его можно использовать для оценки сейсмической активности. Так, за 7 дней до сильного землетрясения в эпицентральной зоне и её ближайших окрестностях в радиусе до 500 км наблюдаются резкие 12 часовые скачки атмосферного давления. Наиболее рельефно перед землетрясением проявляет себя изменение портрета облачности. Вероятно перед землетрясением происходят сверхнизкочастотные подёргивания земной коры, что приводит к выбросу в атмосферу не только всевозможных электромагнитных частиц, аэрозолей, но и мелких пылинок, которые способствуют образованию «инверсионных» следов, как после пролёта реактивных самолётов. Было выделено несколько типов портретов облачности, которые себя проявляют перед землетрясением в зависимости от мощности возможного землетрясения. Также характерно перед землетрясением проявляет себя и электромагнитная активность в виде молниевых разрядов, координаты и мощность которых засекалась системой мониторинга Агентства. Молниевая активность за две недели до землетрясения растёт и за 3-5 дней перед землетрясением падает до ноля. Характерные особенности были выделены после ана-

Рис. 1. Краткосрочный прогноз очагов повышенной сейсмической активности, реализовавшийся через 14 месяцев

в провинции Сычуань в Китае

лиза непрерывных сейсмических записеи с применением специального алгоритма, разработанного профессором Трофимовым Р.С.. Выявлено, что перед землетрясением определённым образом соотносятся низкочастотная и высокочастотная составляющие сейсмических колебаний.

Подтверждение предполагаемой гипотезы о сверхнизкочастотных колебаниях в эпи-центральной и близким к ним зонах, удалось получить Машимову М.М., Нигметову Г.М., Сосунову И.В. и Саламонову С.А. при выполнении геодинамических наблюдений с применением высокоточных геодезических GPS-приемников в районе Кавминвод. Были зарегистрированы сверхнизкочастоные колебания земной коры с периодом колебаний 1,5 часа: размах колебаний по амплитуде составлял 30 см, одновременно было зарегистрировано резкое падение атмосферного давления и изменение уровня воды в артезианских скважинах (см. рис. 2) .

Этот факт подтверждает прямую связь

Рис. 2. Геодинамические колебания земной коры, изменение

между геодинамическими и атмосферными атмосферного давления и колебания уровня воды в скважинах в едином процессами. Многолетние данные, полу-

ченные с применением технологии «портретов» дали смелость заключить, что можно накануне катастрофического события выделять возможные очаги землетрясений и других геологических

временном измерении

опасностей. Мониторинговая сеть, которая с помощью высокоточных геодезических GPS-приёмников позволяла каждые 20 секунд с высокой точностью, по-

рядка 10-6—10-8, определять расстояния между пунктами наблюдения, приведена на рис. 3.

Рис. 3. Мониторинговая сеть для геодинамических измерений земной коры

Для построения возможного поля ускорений в эпи-центральной зоне необходимо знать не только параметры землетрясений, но и геологические и тектонические данные. Также очень важно иметь крупномасштабную трехмерную информацию о рельефе местности. Проведённые в Агентстве исследования с анализом макро-сейсмических полей произошедших землетрясений показали, что преобладающую роль в формировании поля ускорений играет рельеф местности. В используемой в настоящее время в ГИС «Экстремум» модели поле ускорений формируется только с учётом влияния тектоники и региональных геологических констант; рельеф местности не учитывается. Опытные расчёты показывают, что результаты вычислений рисков без учёта рельефа местности и площади застройки могут быть существенно завышены или занижены, в зависимости от рассматриваемой обстановки.

Для расчёта возможных последствий воздействия опасностей на здания и сооружения и находящихся в них людей необходимо знать уязвимость зданий и сооружений, геофизические и геологические параметры грунтового массива.

Для мониторинга уязвимости зданий и сооружений предлагается устанавливать системы мониторинга, обеспечивающих контроль жесткости и геометрии системы «грунт-здание» в заданных интервалах времени.

Мониторинг может быть краткосрочным, при этом производится непрерывное снятие информации о параметрах системы «грунт-здание»; среднесрочным, при этом информация снимается 1 раз в 1-3 месяца; долгосрочным, при этом информация снимается 1 раз в год.

Огромное количество случаев катастрофических обрушений 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 ди-

агностики и мониторинга зданий является отсутствие технологий, обеспечивающих интегральную оценку системы грунт-здание в трехмерной динамической постановке.

Существующие подходы диагностики носят локальный, разрушающий характер и основываются, в первую очередь, на визуальном и прочностном контролях с отбором проб материала и изучением конструктивного исполнения отдельных элементов путём вскрытия узлов, защитных слоёв 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 подхода по расчёту системы «грунт-здание» как единой системы.

По нашему мнению, идеальной схемой диагностики уязвимости является воспроизведение на реальном объекте с реальными грунтовыми условиями воздействия проектируемых нагрузок, либо долей этих нагрузок с пропорциональным их увеличением, или уменьшением в пределах чувствительности аппаратуры. Схема поста-

Рис. 4. Получение динамических параметров системы грунт-здание с использованием сейсмоимпульсной машины

новки такого эксперимента приведена на рис. 4.

Известно, что наиболее опасными и слабо изученными нагрузками являются динамические нагрузки. В первую очередь самыми опасными для зданий из динамических нагрузок являются сейсмовзрывные нагрузки. В существующих научных подходах для идеальных сред хорошо представляются закономерности распространения энергии в пространстве и во времени в зависимости от энергии в очаге.

На практике важно выделить весь предполагаемый перечень нагрузок с учётом влияния сред и провести правильное планирование эксперимента с точным определением мест расстановки датчиков от нагрузок до отдельных конструктивных элементов. Как можно смоделировать воздействие динамических нагрузок на здания и сооружения? Сейсмические нагрузки можно моделировать воздействием на грунтовый массив у

здания и воздействием динамической нагрузки непосредственно на здание и его отдельные конструктивные элементы. Моделирование сейсмических нагрузок на грунтовый массив возможно воздействием:

1) ударами или сбрасыванием с высоты тяжелых грузов, весом от 16 кг и более (проведённые опыты показывают возможность получения информации о реакции здания при воздействии ударами на грунтовый массив). В опытах были получены четко различимые импульсы ускорений на различных этажах здания, при ударах 16 кг гирей по грунту на небольшом удалении от здания. Достоинством метода является его компактность, безопасность, возможность явного учёта влияния грунтового массива. Недостатком метода является невозможность управления параметрами нагрузки;

2) ударами или возбуждением мягким грузом (в основном производится возбуждение верхних этажей здания). Результаты проведённых опытов показывают, что даже массивные сооружения типа грунтовых плотин дают отклик на воздействие мягкого импульса. Был пример мягкого возбуждения боксерской грушей грунтовой плотины водохранилища, при котором получены четкие динамические характеристики тела плотины. Повторные испытания, выполненные на следующий год, показали изменения динамических параметров, что дало возможность установить степень износа плотины за один год. Достоинством метода является его компактность и безопасность. Недостатком — отсутствие возможности управления параметрами импульсных нагрузок;

3) динамическое возбуждение специальными управляемыми вибраторами. Принцип действия вибраторов основан на использование электрической, гидравлической и пневматической энергии, за короткое время выделяемой на объекты воздействия. Была проведена серия опытов с применением электродинамической системы «Геотон». Результаты опытов показали возможность получения реакции системы грунт-здание при воздействии импульсной установки на грунт на удалении до 100 м от сооружения. К преимуществам применения импульсных вибраторов относится возможность создания управляемого импульса, при этом может изменяться амплитуда и время воздействия импульса. К недостаткам: сложность, опасность и громоздкость оборудования.

Измерение параметров динамического воздействия производится путем расстановки высоко чувствительных датчиков ускорения, скорости и перемещения на контролируемых точках.

Наиболее сложной частью в технологии динамических испытаний является анализ полученных данных для определения уязвимости (устойчивости) сооружения. Наиболее отработанным способом является метод сравнения полученных динамических параметров с проектными или расчетными данными, а также получение эпюр свободных колебаний и сравнение их с расчётными эпюрами. Возможно также применение

метода сравнения динамических параметров одинаковых по конструктивному и объемно-планировочному исполнению объектов, например, однотипных зданий, однотипных конструктивных элементов. При этом важно учитывать такие факторы как тип грунтов, срок службы, степень износа и т.д.

Наиболее сложной частью при анализе динамических параметров является вопрос получения нормативных динамических параметров здания и эффективных критериев для принятия решений. Возможны следующие способы решения:

1) экспериментальный — по результатам динамических испытаний многих однотипных зданий или конструктивных элементов выделяются основные тона свободных колебаний, декременты затуханий и выбираются средние значения, которые принимаются за нормативные;

2) инженерный — используются инженерные зависимости, полученные на основе многочисленных экспериментальных и практических исследований;

3) вероятностный — используются вероятностные модели, отражающие зависимость полученных динамических моделей от степени их повреждения при различных воздействиях динамических нагрузок;

4) расчётный — применяются нормативные одномерные модели или специальные трехмерные динамические модели, учитывающие упругие или упруго-пластические свойства среды. К сожалению, ни в одной из существующих моделей нет возможности явно учитывать влияние грунтового массива. Наибольшее распространение получили модели типа « СКАД», «ЛИРА» и « АНСИЗ».

Понятно, что представить и решить задачу в едином виде, как систему «грунт—здание», довольно трудно. Для решения трехмерной динамической нестационарной задачи при воздействии известной сейсмоволновой нагрузки на систему «грунт—здание», предлагается использовать разработанный Г.М. Нигметовым пакет программ «Dipol». В основу пакета положен созданный автором алгоритм с применением метода граничных интегральных уравнений с использованием запаздывающих потенциалов Кирхгофа. Для решения волновой задачи необходимо описать закон изменения сейсмической нагрузки от очага до основания объекта; представить трехмерную поверхность грунтового массива, где расположен объект с учётом его массы и геометрии и свойств среды. По результатам расчётов получаются динамические и напряженно-деформационные параметры системы грунт-здание. Результаты расчётов можно использовать для сравнения с натурными, полученными из опытов. Причём, используя сейсмоимпульные машины мы можем создавать заданные величины сейсмовибрационных нагрузок на заданном удалении от сооружения. Задавая эти же параметры сейсмовибрационных нагрузок в модель мы получаем расчётные данные, которые затем можем сравнить с экспериментально полученными данными и более точно настроить системы мониторинга объектов.

Описанные выше экспериментальные подходы по фиксации параметров воздействия динамических нагрузок на натурные объекты и результаты полученных испытаний дают возможность получить надежные результаты по реакции здания на динамические воздействия. Расчёты, проведенные Г.М.Нигметовым методом граничных интегральных уравнений в задачах оценки динамических и напряжено-деформационных параметров при воздействии волновых нагрузок на подземные сооружения различной трехмерной геометрии показывают волновой характер реакции сооружений на воздействие нагрузки. Выполненные автором с помощью инженера Д. Косцова экспериментальные исследования на пневмодинамической установке ПДУ — 100 подтвердили работоспособность предлагаемой методики оценки напряженно-деформируемого состояния объектов сложной трехмерной геометрии, находящихся в сплошной изотропной упругой среде.

Применение теоретических, экспериментальных, инженерных и вероятностных подходов дает возможность получить надежные критерии оценки уязвимости зданий различного конструктивного исполнения и различной геометрии в зависимости от параметров динамических нагрузок и грунтовых условий.

Одной из сложнейших задач при проведении динамических испытаний является задача выделения чистого периода колебаний конструктивной системы. Качество решения поставленной задачи зависит, в первую очередь, от правильности проведенного эксперимента: расстановки датчиков, их закрепления к поверхности конструкций места, мощности и характера воздействия динамической нагрузки, программно-методического аппарата по анализу полученных виброколебаний. Трудно решаемой задачей является задача получения периодов собственных колебаний конструкций по фоновому воздействию. Анализ полученных спектров колебаний различных зданий при динамическом и фоновом воздействиях показывает возможность четкого выделения периода собственных колебаний как при импульсном воздействии, так из фоновых колебаний, особенно для верхних этажей строительных объектов.

Таким образом, для решения задач мониторинга безопасности зданий и оценки индивидуального риска предлагается интегральный экспериментально-расчетный подход. При этом для оценки состояния здания (сооружения) используются динамические параметры, полученные из испытаний и расчётов.

Наличие технологии мониторинга уязвимости позволяет реализовать непрерывный мониторинг безопасности любой конструктивной системы. Принципиальная схема такой системы мониторинга безопасности включает в себя:

• микрокомпьютер с «вшитой» программой диагностики конструктивной системы по пяти категориям состояния: легкие повреждения ( до 10 %), умеренные повреждения (до 20 %), средние повреждения (до 50 %), тяжелые повреждения ( до 70 % ), катастрофические повреждения (до 100 %) и программой управления исполнительными органами;

• многоканальный аналогово-цифровой преобразователь с набором датчиков для измерения механических параметров конструктивной системы, электромеханических и температурно-влажностных параметров;

• набор исполнительных механизмов для отработки команд, полученных от компьютера.

Разработанная технология позволяет непрерывно во времени выполнять мониторинг индивидуального риска для людей, находящихся в здании (сооружении) в зонах возможного воздействия геологических и других опасностей. Таким образом, предлагаемая система позволяет обеспечить краткосрочный мониторинг опасностей, уязвимости и риска территорий, зданий и сооружений.

Опытная эксплуатация подобной системы производится на строительных объектах г. Москвы и г. Калининграда.

Сведения об авторах

Качанов Сергей Алексеевич: ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), заместитель

начальника института, д.т.н., профессор. Нигметов Геннадий Максимович: ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), ведущий научный сотрудник, к.т.н.