СПОСОБ МОНИТОРИНГА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ
METHOD OF MONITORING TECHNICAL STATE OF CONSTRUCTION FACILITIES

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области автоматизированных систем мониторинга технического состояния строительных объектов (зданий и сооружений) и может быть использовано при их проектировании, строительстве и эксплуатации, в том числе в соответствии с программами проектирования и строительства высотных зданий, уникальных сооружений и объектов повышенного риска, в частности в соответствии с городской комплексной инвестиционной программой «Новое кольцо Москвы».
Уровень техники
Известен способ мониторинга и прогнозирования технического состояния зданий и сооружений (Патент РФ на изобретение №2381470, с приоритетом от 26.02.2008, зарегистрированный 10.02.2010), включающий возбуждение колебаний объекта на собственных частотах, регистрацию вибраций, и/или ускорений колебаний, и/или скоростей колебаний, и/или амплитуд колебаний, и/или наклонов, и/или прогибов, и/или напряжений, и/или нагрузок, и/или измерения абсолютной и неравномерной осадки, и/или геодезических параметров, и/или контроль трещин, стыков, швов, осуществление фильтрации параметров технического состояния зданий и сооружений на две группы параметров: группу параметров технического состояния нижней части объекта и группу параметров технического состояния верхней части объекта, определение с использованием параметров технического состояния нижней части объекта путем математического (компьютерного) моделирования объекта, расчетные параметры строительных конструкций верхней части объекта, сравнение расчетных параметров строительных конструкций верхней части объекта с аналогичными параметрами строительных конструкций верхней части объекта, определенных по результатам натурных измерений от датчиков для мониторинга технического состояния верхней части объекта, корректировку параметров математической модели объекта при условии, что расчетные параметры строительных конструкций верхней части объекта, определенные по результатам математического моделирования, отличаются от аналогичных параметров строительных конструкций верхней части объекта, определенных по результатам натурных измерений на величину больше заданного порога, определение по измеренным параметрам технического состояния нижней части объекта трендов параметров технического состояния нижней части объекта, экстраполяцию трендовых значения параметров технического состояния нижней части объекта на заданный временной интервал, определение на основе данных экстраполяции параметров технического состояния нижней части объекта прогнозных расчетных параметров технического состояния строительных конструкций верхней части объекта, фиксацию для потребителя прогнозной оценки будущего технического состояния объекта на основе сравнительного анализа прогнозных расчетных параметров технического состояния строительных конструкций верхней части объекта с предельно допустимыми значениями.
Известна система мониторинга и прогнозирования технического состояния зданий и сооружений (Патент РФ на изобретение №2381470, с приоритетом от 26.02.2008, зарегистрированный 10.02.2009), содержащая устройство ударного устройства, блок обработки и выходной информации, блок градации выходной информации, и/или датчики измерения вибраций объекта, и/или датчики измерения ускорений колебаний объекта, и/или датчики измерения скоростей колебаний объекта, и/или датчики измерения амплитуд колебаний объекта, и/или датчики измерения наклонов, и/или датчики измерения прогибов, и/или датчики измерения напряжений, и/или датчики измерения нагрузок, и/или датчики измерения абсолютной и неравномерной осадки, и/или датчики контроля трещин, стыков и швов, и/или датчики измерения геодезических параметров, датчики давления (в том числе для контроля давления объекта на грунт и/или давления грунта на объект), и/или датчики измерения деформаций, и/или датчики измерения температуры, и/или датчики измерения влажности (при этом все перечисленные выше датчики объединены в одном блоке - блок датчиков и оборудования автоматизированной системы мониторинга), блок расчета параметров технического состояния объекта, блок фильтрации параметров технического состояния объекта, блок определения трендов и экстраполяции параметров технического состояния нижней части объекта, блок сравнения, пороговое устройство, блок математического моделирования и расчета параметров технического состояния верхней части объекта, блок корректировки параметров математической модели объекта, электронный ключ, блок отображения прогнозной и мониторинговой информации, причем выход блока датчиков и оборудования автоматизированной системы мониторинга соединен с входом блока расчета параметров технического состояния объекта, первый выход которого соединен с входом блока фильтрации параметров технического состояния объекта, а второй выход соединен с входом блока обработки и выходной информации, выход которого соединен с входом блока градации выходной информации, первый выход блока фильтрации параметров технического состояния объекта соединен с первым входом блока математического моделирования и расчета параметров технического состояния верхней части объекта, второй выход блока фильтрации параметров технического состояния объекта соединен с входом блока сравнения, выход блока сравнения соединен с входом порогового устройства, первый выход которого соединен с входом блока корректировки параметров математической модели объекта и первым управляющим входом электронного ключа, а второй выход соединен со вторым управляющим входом электронного ключа, выход блока корректировки параметров математической модели объекта соединен со вторым входом блока математического моделирования объекта и расчета параметров технического состояния верхней части объекта, первый выход которого соединен с входом блока сравнения, а второй выход соединен с первым входом блока отображения прогнозной и мониторинговой информации, третий вход блока математического моделирования объекта и расчета параметров технического состояния верхней части объекта соединен с выходом блока определения трендов и экстраполяции параметров технического состояния нижней части объекта, вход которого соединен с выходом электронного ключа.
Раскрытие изобретения
Техническое решение по патенту №2381470 обладает недостаточным быстродействием диагностирования технического состояния здания или сооружения (далее объекта).
Устранить этот недостаток можно следующим путем. Практически любое здание или сооружение (далее - объект) содержит в своем составе симметричные конструктивные элементы, по дополнительной информации о которых может проводиться ранняя диагностика изменения технического состояния объекта на основании. Такой дополнительной информацией служит само наличие разницы между значениями одного и того же параметра для двух симметричных элементов конструкции. В качестве таких параметров могут выступать: деформация, наклоны, напряжение, давление, частоты колебаний, перемещения, прочностные характеристики конструкций.
Особенно важно быстродействие диагностики состояния объектов, располагаемых на территориях со сложными сейсмическими и/или гидрогеологическими условиями (наличие карстовых и оползневых явлений, близкий к земной поверхности уровень грунтовых вод и др.). Неблагоприятное изменение сейсмических и/или гидрогеологических условий под объектом (рост карстовых образований, медленные оползневые подвижки, повышение уровня грунтовых вод и др.) в начальной стадии этих процессов практически не сказывается на техническом состоянии строительных конструкций объекта и, как следствие этого, не представляется возможным осуществить на ранней стадии диагностику технического состояния объекта на длительный временной интервал. За счет сравнения одних и тех же параметров симметричных конструктивных элементов такие изменения можно выявить на самой ранней стадии. Одновременно наличие дополнительной информации позволяет повысить точность мониторинга технического состояния строительного объекта.
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по устранению вышеуказанных недостатков и созданию такого способа мониторинга технического состояния объекта, который позволяет получить параметры, отображающие состояние объекта в целом, состояние отдельных конструктивных элементов при повышении (по сравнению с ближайшим аналогом) быстродействия и точности.
Указанный технический результат достигается тем, что:
- определяют контролируемые элементы строительного объекта на основе модели угроз, конструктивных особенностей объекта, местоположения и внешних воздействий (осадки, ветер, землетрясения, суффозионно-карстовые процессы, перепад температур и др.), анализа напряженно-деформированного состояния с использованием технологий математического моделирования. Математическое моделирование проводится с использованием метода конечных элементов (Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы: Пер. с англ. - М.: Мир, 1984). Для определения контролируемых элементов объекта создается компьютерная модель, на которой моделируется работа строительных конструкций под воздействием внешних и внутренних нагрузок, определяются наиболее нагруженные и/или ответственные элементы (например, технически сложные узлы или нетиповые конструктивные элементы), рассматриваются различные сценарии отказа таких элементов и анализируются возможные последствия. На основе данного анализа определяют критические элементы, которые подлежат контролю системой мониторинга, из которых формируются пары конструктивно симметричных контролируемых элементов строительного объектов. Также для критических элементов могут быть сформированы пары их симметричных частей, мониторинг которых позволит оценить состояние отдельного конструктивно элемента, в том числе, и не имеющего симметричной пары.
- определяют контролируемые параметры, отображающие состояние отдельных контролируемых элементов строительного объекта и/или их взаимодействие (совместную работу). При этом контролируемые параметры могут характеризовать как абсолютные физические величины, в том числе деформации, наклоны, напряжение, давление, частоты колебаний, перемещения, прочностные характеристики конструкций, так и относительные величины, в том числе разность наклонов (параметр, характеризующий, в частности, неравномерную осадку, крен), и/или разность собственных частот колебаний (параметр, характеризующий, в частности, перераспределение нагрузки и изменение состояния конструктивной части объекта, включая образование таких дефектов, как трещины, деформации, коррозия арматуры и т.д.), и/или разность деформаций, и/или разность давлений (параметр, характеризующий перераспределение нагрузок между конструктивными элементами объекта), и/или разность перемещений (параметр, характеризующий неравномерную осадку или перераспределение усилий между различными конструктивными элементами), и/или частоты взаимных колебаний, и/или корреляционные параметры (параметр, характеризующий коррелированность колебаний одних конструктивных частей объекта относительно других).
Так, например, противоположные покрытия в одинаковом конструктивном исполнении стадиона должны иметь одинаковые характеристики: частоты, амплитуды колебаний, что свидетельствует об их одинаковом напряженно-деформированном состоянии. Наличие разности и ее величина позволяют судить о перераспределении нагрузки и об изменении состояния одного из противоположных покрытий объекта,
- определяют набор измеряемых параметров, на основании которых возможно определение контролируемых параметров. Так, неравномерную осадку можно определить на основе измерений углов наклона или вертикальных перемещений в различных точках. Собственные частоты можно получить на основе измерения колебаний (ускорения, скорости, перемещения), перемещения можно получить на основе измерения пространственных координат, деформации и давления на основе измерения соответственно деформаций и давления, прочностные характеристики конструкции и/или ее элементов на основе измерения их акустической эмиссии, и/или на основе характеристик распространения ультразвуковых колебаний, и/или на основе характеристик распространения электромагнитных колебаний и т.д. Выбор конкретных параметров, подлежащих измерению, осуществляют исходя из соображений простоты монтажа измерительного оборудования, экономической эффективности и точностных показателей измерительного оборудования.
- определяют допустимые значения (интервалы допустимых значений) контролируемых параметров, в соответствии с которыми определяют техническое состояние объекта. Допустимые значения или их интервалы определяются для каждого контролируемого параметра на основе нормативно-методических документов (при наличии) или математического моделирования работы строительных конструкций, в том числе при наличии различных конструктивных дефектов и/или при различных напряженно-деформированных состояниях для определения зависимости значения контролируемого параметра от состояния несущих конструкций. Так, допустимая величина контролируемого параметра крена высотного здания может быть установлена на основании Московских городских строительных норм МГСН 4.19-05 «Многофункциональные высотные здания и комплексы», в которых указаны предельные значения данного параметра: если высота здания до 150 м (включительно), то крен не должен превышать 1/500, при высоте здания 400 м крен не должен превышать 1/1000. Контролируемые параметры, допустимые значения которых не определены в нормативно-методических документах, определяются на основании математического моделирования работы строительных конструкций: например, расчетное (проектное) значение контролируемого параметра «собственная частота колебаний» определяется на основании построенной математической (компьютерной) модели, а допустимые интервалы значений данного параметра определяются также путем математического моделирования на основании моделирования различных процессов, связанных с появлением в конструкциях дефектов различной степени (от незначительных до критических). В частности, допустимые значения контролируемых параметров могут определять исходя из заданного набора состояний строительного объекта и/или его элементов. Таким набором состояний может выступать нормативно-техническое, работоспособное, ограниченно работоспособное и аварийное состояния в соответствии с ГОСТ Р 53778-2010 «Здания и сооружения. Правила обследования и сооружения мониторинга технического состояния».
- измеряют для симметричных контролируемых элементов конструкции и/или их частей параметры, на основании которых определяют абсолютные значения контролируемых параметров и относительные значения контролируемых параметров,
- сравнивают абсолютные значения контролируемых параметров с их допустимыми значениями или интервалами допустимых значений, а относительные контролируемые параметры с допустимой погрешностью измерений;
- судят об адекватности математической модели объекта и/или о дефектах элементов конструкции объекта по результатам сравнения на начальном интервале времени;
- корректируют при необходимости математическую модель объекта;
- формируют выводы о текущем техническом состоянии объекта на основе сравнения абсолютных значений контролируемых параметров с их допустимыми значениями или интервалами допустимых значений, заданными в виде конкретных величин или интервалов. При этом выводы о текущем техническом состоянии объекта представляются в виде сообщений о выходе контролируемых параметров за пределы допустимых значений или интервалов таких значений. Сформированные сообщения передаются соответствующим службам, в частности эксплуатационной или диспетчерской службам объекта и/или города для принятия соответствующих мер по предотвращению ухудшения технического состояния объекта.
Пример осуществления способа
Осуществление способа применительно к конкретному строительному объекту (объекту мониторинга) начинается с анализа конструктивных особенностей объекта, угроз потери устойчивости и разрушения объекта.
При анализе угроз потери устойчивости и разрушения объекта формируется модель угроз на основе имеющейся информации по климатическим условиям месторасположения объекта (снеговые, ветровые, температурно-влажностные нагрузки), геологическим условиям (наличие карстово-суффозионных процессов, сейсмичность площадки и т.д.). В модель угроз могут также включаться угрозы наличия первоначальных дефектов в конструкциях объекта. Модель угроз представляет собой перечень вероятных угроз (например, снеговая нагрузка, обледенение, ветровая нагрузка, землетрясения и т.д.) и их описание (например, максимальный объем выпавшего снега или максимальная скорость ветра для месторасположения объекта).
При анализе конструктивных особенностей объекта определяются наиболее ответственные узлы и элементы конструкций, ослабление которых может повлечь потерю устойчивости или разрушение объекта. Данные узлы и элементы выбираются с учетом возможных угроз на основании математического моделирования объекта и конструктивных расчетов (например с использованием программных комплексов ANSYS, Nastran, MicroFe, SCAD, Лира).
Например, для уникальных зданий (как правило, это спортивные сооружения: стадионы, ледовые дворцы) в большинстве случаев характерно наличие металлического фермового покрытия, опирающегося на железобетонные или металлические колонны. В этом случае одним из результатов анализа конструктивных особенностей объекта может быть выделение несущих опорных колонн как ответственных элементов, т.к. их неравномерная осадка или крен может повлечь к перераспределению усилий в покрытии и его разрушению. В случае наличия на объекте технически-сложных конструктивных узлов (например, шарнирных соединительных узлов колонн и покрытия), наличие дефектов в которых может также повлечь к потере устойчивости или разрушению объекта, данные узлы могут быть также определены как ответственные. По результатам анализа конструктивных особенностей объекта формируется перечень строительных конструкций (контролируемые элементы), которые необходимо контролировать. При этом из множества элементов строительного объекта, выделенных в категорию контролируемых элементов, формируется подмножество симметричных контролируемых элементов, по контролируемым параметрам (по абсолютным и относительным значениям этих параметров) которых будет осуществляться мониторинг технического состояния строительного объекта. В составе элементов строительного объекта могут присутствовать ответственные элементы, технически сложные конструктивные узлы в единственном числе, не имеющие соответствующего парного элемента, узла. В этом случае в качестве симметричных контролируемых элементов можно использовать симметричные части такого элемента, узла.
Следующим шагом осуществления способа является подбор параметров, с помощью которых можно будет контролировать выбранные строительные конструкции. Выбор контролируемых параметров осуществляется исходя из следующих соображений:
- измеряемые параметры, на основе которых должны определяться контролируемые параметры, должны наиболее явно отражать напряженно-деформированное состояние конструкций,
- измерительное оборудование на элементах конструкции может быть размещено оптимальным образом с точки зрения его монтажа и обслуживания при эксплуатации, стоимости измерительного оборудования.
Контролируемые параметры определяются для каждого контролируемого элемента и могут быть выражены в виде абсолютных и/или относительных параметров. Абсолютные параметры показывают абсолютные значения, характеризующие состояние контролируемого элемента, относительные параметры показывают относительные значения, характеризующие состояние взаимосвязи. В качестве абсолютных параметров могут быть, например, такие параметры, как абсолютная осадка, амплитуда колебаний, пространственные перемещения, крен, деформации, напряжения, степень однородности (трещиностойкости). В качестве относительных параметров могут быть, например, такие параметры, как неравномерная осадка (разность осадок у разных контролируемых элементов), и/или разность амплитуд, и/или частот колебаний, и/или разность деформаций, и/или напряжений, и/или разность давлений, и/или частоты взаимных колебаний, и/или корреляционные характеристики.
Деформации могут измеряться датчиками деформации. Давления могут измеряться датчиками давления. Перемещения, осадка, пространственные координаты могут измеряться геодезическим оборудованием (нивелиром, тахеометром, GPS/Глонасс приемником). Степень неоднородности и трещиностойкости может измеряться датчиками акустической эмиссии, электромагнитным и рентгеновским оборудованием. Наклон или крен могут измеряться датчиками наклона. Колебания (частоты, взаимные частоты, форма, амплитуда) могут измеряться акселерометрами или велосиметрами.
Дополнение процесса контроля абсолютных параметров контролем относительных параметров позволяет повысить достоверность и эффективность мониторинга состояния несущих конструкций, т.к. построенные здания, как правило, имеют отклонения от проектных значений, и контроль абсолютных параметров с проектными значениями необходим, но не достаточен. Контроль относительных параметров позволяет на ранней стадии выявить негативные изменения, происходящие в здании, например, спортивные объекты (например, стадион) имеют симметричную форму - прямоугольник или эллипс в плане. Две противоположные стороны стадиона, как правило, симметричны и конструктивно одинаково исполнены. В этом случае контроль относительных параметров между одинаково симметричными элементами позволит контролировать негативные изменения, происходящие в одном из элементов (вероятность того, что негативные процессы возникнут и будут протекать одинаково на всех конструкциях ничтожно мала). Например, таким образом можно контролировать состояние покрытий (у двух противоположных одинаковых покрытий, см. Фиг.1, должны быть одинаковые частоты, формы и амплитуды колебания), состояние опорных колонн (у двух одинаковых с точки зрения расчетной схемы колонн должны быть одинаковые напряжения) и т.д.
На фиг.1 приняты следующие обозначения:
1 - Навес 1
2 - Навес 2
3 - Навес 3
4 - Навес 4
В таблице на примере показанного на фиг.1 стадиона приведены возможные варианты относительных параметров, отражающих состояние навесов (позиции 1-4 на фиг.1) (аналогично для других контролируемых элементов (колонн, перекрытий) и контролируемых параметров (деформации, напряжения, перемещения и т.д.)).
Таблица
Контролируемый элемент
Относительный параметр
Примечание
Навес 1, Навес 3
Разность собственных частот колебаний
Наличие разности динамических характеристик, превышающей ошибку измерения, показывает различие в напряженно-деформированном состоянии одинаковых по проекту конструктивных элементов, что может свидетельствовать о наличии и/или развитии дефектов в одном из симметричных элементов конструкции
Навес 2, Навес 4
Разность собственных частот колебаний
Навес 1, Навес 3
Разность прогибов симметричных фермовых конструкций
Навес 2, Навес 4
Разность прогибов симметричных фермовых конструкций