Методические основы создания систем мониторинга несущих конструкций уникальных объектов

МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ УНИКАЛЬНЫХ

ОБЪЕКТОВ

SYSTEM OF HIGH-RISE BUILDING'S STRUCTURAL MONITORING. PRACTICE OF ENGINEERING AND CREATING

A.M. Шахраманьян A.M. Shakhramanyan

НПО СОДИС

В статье приведены методические принципы построения систем мониторинга уникальных зданий, стадии создания, алгоритм работы и структура построения системы мониторинга несущих конструкций

This article describes the methodological principles of structural monitoring system's creating, its structure and methods of procedure.

Проблема мониторинга несущих конструкций приобрела особенную актуальность в свете большого количества строительства высотных и уникальных объектов, а также в связи с недавними и уже, к сожалению, периодическими крупными авариями на строительных объектах. В последние годы крупные аварии, связанные с разрушением строительных конструкций происходили ежегодно: разрушение аквапарка «Трансвааль» 14 февраля 2004 г. (г. Москва), обрушение кровли плавательного бассейна «Дельфин» (г. Чусовой Пермского края) 4 декабря 2005 г., обрушение Бауманского рынка (г. Москва) 23 февраля 2006г., авария на Крытом конькобежном центре в Крылатском (г. Москва) 22 ноября 2007 г., обрушение перекрытий здания при выполнении строительно-монтажных работ на Староконюшном пер. (г. Москва) 10 декабря 2008 г., обрушение здания на Садовнической набережной (г. Москва) 17 июня 2009 г. и др.

Современные требования нормативно-методических документов предусматривают создание автоматизированных систем мониторинга уникальных строительных объектов. Так, 01 июля 2010 г. вступил в силу Федеральный закон от 30 декабря 2009 г. N 384-Ф3 "Технический регламент о безопасности зданий и сооружений".

Распоряжением Правительства РФ от 21 июня 2010 г. №1047-р утвержден перечень национальных стандартов и сводов правил, в результате применения которых на обязательной основе обеспечивается соблюдение требований Федерального Закона «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений».

В соответствии с требованиями национальных стандартов, вошедших указанный перечень, ГОСТ Р 53778-2010 «Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния» и ГОСТ Р 22.1.12-2005 «Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Структурированная система мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений. Общие требования» на уникальных объек-

1/2П11 ВЕСТНИК

_угогт_мгсу

тах должны быть реализованы системы мониторинга несущих конструкций и система мониторинга инженерных систем (СМИС).

Основным вопросом при построении системы мониторинга несущих конструкций является вопрос о том, что нужно контролировать, какие параметры и элементы конструкций являются критическими и подлежащие автоматизированному (автоматическому) контролю.

Однозначного ответа на данный вопрос существовать не может, т.к. как правило, любая несущая конструкция, является ответственной, в любой конструкции может быть допущен или заводской брак при ее изготовлении или дефекты при выполнении строительных работ. Контроль абсолютно всех конструкций объекта не рентабелен и не целесообразен, поэтому основной целью при разработке методики мониторинга объекта должно быть определение оптимального состава конструктивных элементов и параметров контроля, который позволит наиболее полно оценить состояние конструктивных элементов объекта.

Выбор оптимального состава конструктивных элементов и параметров контроля осуществляется экспертным путем индивидуально для каждого объекта. При этом необходимо учитывать такие факторы как ответственность объекта, финансовые ограничения, местонахождение объекта, надежность проектных решений. Факторы местонахождение (климатические и инженерно-геологические условия нахождения объекта) и надежность проектных решений (использование сложных не типовых конструктивных узлов, большепролетных пролетов и консолей, неаппробированных проектных решений и материалов и т.д.) определяют потенциальные угрозы, реализация которых может повлечь ухудшение состояния конструктивных элементов или их разрушение.

В основе выбора контролируемых элементов и параметров должен лежать тщательный анализ конструктивных решений объекта, потенциальных угроз с применением результатов математического моделирования и инженерных расчетов возникновения и развития опасных факторов.

По результатам данного анализа формируется таблица с указанием следующей информации: Контролируемый элемент, контролируемый параметр (К1), расчетное значение контролируемого параметра (К'1), допустимое отклонение контролируемого параметра (ЛКГ) (см. Рис. 1).

Алгоритм работы системы мониторинга несущих конструкций основывается на сравнении контролируемых параметров К1 с расчетными значениями К1. Диапазон допустимых значений контролируемых параметров К1 определяется как К1±ДК1, где АК1 - диапазон допустимых возможных отклонений контролируемого параметра К1.

Расчетные значения К'1 определяются на основе математического моделирования и уточняются в рамках научно-технического сопровождения строительства, например в соответствии с ТР 182-08 «Технические рекомендации по научно-техническому сопровождению и мониторингу строительства большепролетных, высотных и других уникальных зданий и сооружений» (Технические рекомендации разработаны ГУП «НИИМосстрой»).

В случае приближения или выхода значений контролируемого параметра К1 за пределы допустимых значений К1±ДК1, система мониторинга несущих конструкций должна формировать соответствующие информационные сигналы о напряженно-деформированном состоянии несущих конструкции. В этом случае экспертная организация, осуществляющая научно-техническое сопровождение системы мониторинга, устанавливает причины возникновения сигнала и выдает рекомендации по проведению обследования, устранению последствий и дальнейшей эксплуатации объекта.

В соответствии с установленной практикой и требованиями нормативно-методических документов, система мониторинга несущих конструкций разрабатывается на стадии проектирования, устанавливается на этапе строительства и используется на этапе строительства и эксплуатации для контроля состояния несущих конструкций.

На этапе проектирования определяют модель угроз, реализация которых может вызвать ухудшение технического состояния объекта. Модель угроз, разрабатывается исходя из местоположения объекта (климатических и геологических условий), конструктивных особенностей, функционального назначения.

На основании модели угроз определяют состав контролируемых параметров, правила обработки и критерии оценки технического состояния объекта.

Для определения расчетных (допустимых) значений контролируемых параметров разрабатывается математическая и компьютерная модель объекта с использованием современных средств конечно-элементного анализа (ЛКБУБ, Лира, М1сгоБе и др.).

На основании состава контролируемых параметров определяют конкретный состав измеряемых физических величин (деформации, колебания, давления и др.) и оборудования системы мониторинга.

На этапе строительства осуществляют установку оборудования системы мониторинга (датчики деформации, давления, температуры, вибродатчики (акселерометры, велосиметры), тахеометры, датчики акустической эмиссии и др.). В процессе строительства осуществляют мониторинг с использованием установленного оборудования, результаты которого сравнивают с полученными значениями контролируемых параметров на основе математического моделирования. Таким образом в ходе строительства осуществляется проверка адекватности математической модели (при необходимости модель должна быть откорректирована) и при необходимости уточняются правила обработки результатов мониторинга и критерии принятия решений.

На основе существующего опыта построения систем мониторинга на различных уникальных и высотных объектах систему мониторинга удобно представлять в виде следующих функциональных блоков:

1. Первичные датчики и оборудование;

2. Системы сбора и регистрации данных;

3. Программное и математическое обеспечение.

Первичные датчики и оборудование предназначены для регистрации различных параметров, характеризующих напряженно-деформированное состояние отдельных или группы конструкций. Датчиками регистрируются такие параметры, как наклоны, осадка, деформация, давление, пространственные координаты, частоты и колебания (ускорения, скорости), температура, влажность.

Система сбора и регистрации данных предназначена для консолидации первичных данных по результатам измерений, преобразования сигналов от датчиков в цифровой вид и хранения полученных данных.

Математическое и программное обеспечение - представляет собой интеллектуальную начинку и является ядром системы мониторинга, состоящее из следующих систем:

1. Математическая модель объекта;

2. Программный комплекс (Спецпроцессор) по комплексной обработке результатов мониторинга, оценки и прогноза технического состояния несущих конструкций;

1/2П11 ВЕСТНИК

_угогт_мгсу

3. Программный комплекс по управлению системой мониторинга и подготовки отчетной документации по результатам мониторинга.

Математическая модель объекта создается с целью определения расчетных значений параметров контроля системы мониторинга (например, расчетные деформации в фундаментной плите, сваях, несущих конструкциях, расчетные динамические характеристики объекта, такие как частоты и амплитуды колебаний, передаточные функции и др.).

Математическая модель, как правило, создается независимо от разрабатываемой конструкторами расчетной модели объекта, ввиду того, что, во-первых модели имеют разные назначения, так как конструкторы объекта создают модель для определения и подбора конструктивных решений, а модель для мониторинга предназначена для первоначального определения контролируемых параметров и дальнейшей работы на стадии эксплуатации совместно с системой мониторинга, а во-вторых независимое создание модели позволит более достоверно оценить адекватность моделей и соответствие объекта проектным решениям.

Разработанные математические модели объектов уточняются по мере строительства и получения реальных показаний с датчиков системы мониторинга. В итоге по окончании строительства математическая модель объекта мониторинга (после всех уточнений) соответствует построенному объекту и используется на этапе строительства и эксплуатации для анализа результатов мониторинга, оценки и прогноза развития дефектов и обеспечивает объективность анализа результатов мониторинга.

Программное обеспечение системы мониторинга предназначено:

- управления системой мониторинга;

- сбора и хранения информации, получаемой от датчиков и оборудования, обеспечивающих измерение контролируемых параметров;

- обработки и анализа данных для определения технического состояния объекта;

- настройки спецпроцессора системы мониторинга и правил работы системы по определению технического состояния зданий и сооружений в автоматическом режиме;

- определения управляющих решений и рекомендаций по дальнейшей наиболее эффективной эксплуатации объекта;

- интеграции системы мониторинга с другими диспетчерскими системами объекта и внешними системами городских служб.

Примеры работы специализированного программного обеспечения для системы мониторинга несущих конструкций - SODIS Building M (Разработчик: НПО СОДИС, Свидетельство Роспатента №2009612830) показан на рисунке 1.

Представленный состав математического и программного обеспечения системы мониторинга позволяет осуществлять совместную обработку натурных показаний системы мониторинга и сравнительный анализ с расчетными значениями, полученными в результате математического моделирования. Это позволяет не только оценить текущее состояние строительных конструкций объекта, но и спрогнозировать его будущее состояние. Прогноз может осуществляться на основе вычисления трендов изменения контролируемых параметров технического состояния объекта (например, неравномерная

Программное обеспечение Математическая модель

осадка) на прогнозируемый временной период и оценивать с использованием компьютерного моделирования влияние прогнозируемых значений контролируемых параметров на будущее техническое состояние объекта. В этом случае система мониторинга уже не просто сообщает эксплуатационной службе объекта о возникновении неблагоприятных факторов, но позволяет определить, например, что если в течение пяти лет не будут предприняты никакие меры, то техническое состояние здания через пять лет будет оцениваться как неработоспособное.

Литература

1. Патент РФ на полезную модель №66525 «Система мониторинга технического состояния зданий и сооружений»;

2. Патент РФ на изобретение № 2381470 «Способ мониторинга и прогнозирования технического состояния зданий и сооружений и система мониторинга и прогнозирования технического состояния зданий и сооружений (Варианты)»

3. Евразийский патент №006970 «Способ и система для определения устойчивости зданий и сооружений»;

4. Свидетельство РОСПАТЕНТА №2009612830 «Автоматизированная система мониторинга технического состояния зданий и сооружений на базе геоинформационных технологий (SODIS Building M2.5)».

Reference

1/2П11 ВЕСТНИК _VZOTJ_МГСУ

1. Patent for useful model (Russian Federation) №66525 "System of monitoring of buildings and constructions' health"

2. Patent for invention (Russian Federation) № 2381470 "The method of monitoring and forecasting of buildings and constructions' technical estate and system of monitoring and forecasting of buildings and constructions' health

3. Eurasian patent №006970 "Method and system for determination of buildings and constructions' sustainability".

4. Certificate №2009612830 issued by Rospatent "Automated system of monitoring of buildings and constructions' health based on geo information technologies (SODIS Building M2.5)".

Ключевые слова: мониторинг, система мониторинга, безопасность зданий, несущие конструкции, контроль напряженно-деформационного состояния, неразрушающий контроль, автоматизация, диспетчеризация

Keywords: monitoring, systems of monitoring, buildings ' safety, load-carrying structures, structural deformation control, independent expertize, automation and control system.

Почтовый адрес: 117556, Москва, ул. Болотниковская, д.11, стр. 1, НПО СОДИС Телефон/Факс: +7-499-613-04-11 (секретарь), Моб. +7-495-226-40-70

E-mail: andranic@nposodis.ru

Рецензент: Коровяков Василий Федорович, д.т.н., профессор, ГУП «НИИМосстрой»