СПОСОБ МОНИТОРИНГА И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ И СИСТЕМА МОНИТОРИНГА И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF MONITORING AND PREDICTING TECHNICAL STATE OF BUILDINGS AND STRUCTURES AND SYSTEM FOR MONITORING AND PREDICING TECHNICAL STATE OF BUILDINGS AND STRUCTURES (VERSIONS)

1. Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области автоматизированных систем мониторинга технического состояния зданий и сооружений и может быть использовано при проектировании, строительстве и эксплуатации зданий и сооружений, 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».
2. Уровень техники
Известен способ и система определения устойчивости зданий и сооружений (патент РФ № 2245531 от 2.04.2003 г.), используемые для определения устойчивости объектов (зданий и сооружений), при этом система для определения устойчивости зданий и сооружений содержит блок ударного устройства, блок формирования электрического синхроимпульса, блок преобразования колебаний в электрический сигнал, блок аналого-цифрового преобразования электрического сигнала, блок цифрового запоминающего устройства и блок управления цифровым запоминающим устройством, блок ввода экспериментальных и/или расчетных значений поверхностной прочности, и/или объемной прочности, и/или параметров армирования элементов конструкции объекта, и/или осадков, и/или сдвигов, и/или кренов объекта, и/или глубины залегания фундамента, и/или его поверхностной прочности, и/или его объемной прочности, и/или периода собственных колебаний грунта под объектом, и/или вокруг него, измеренного, по меньшей мере, по первому тону колебаний и/или уровня грунтовых вод, блок сравнения экспериментальных данных с нормированными данными, рассчитанными для данных конструкций и материалов испытуемого объекта и состава грунта под ним и/или вокруг него и блок воспроизведения полученных данных, связанные по шинам управления и данных между собой и с остальными функциональными блоками системы.
Известна также принятая за прототип система мониторинга технического состояния зданий и сооружений (патент на полезную модель № 66525 от 11.12.2006 г.), содержащая блок ударного устройства, блок вибродатчиков, блок обработки и выходной информации, блок измерения ускорений колебаний объекта и/или блок измерения скоростей колебаний объекта и/или блок измерения амплитуд колебаний объекта и/или блок измерения наклонов и/или блок измерения прогибов и/или блок измерения напряжений и/или блок измерения нагрузок и/или блок измерения абсолютной и неравномерной осадки и/или блок контроля трещин, стыков и швов и/или блок измерения геодезических параметров, блок градации выходной информации, причем выход блока вибродатчиков и/или выход блока измерения ускорений колебаний объекта и/или выход блок измерения скоростей колебаний объекта и/или выход блока измерения амплитуд колебаний объекта и/или выход блока измерения наклонов и/или выход блока измерения прогибов и/или выход блока измерения напряжений и/или выход блока измерения нагрузок и/или выход блока измерения абсолютной и неравномерной осадки и/или выход блока контроля трещин, стыков и швов и/или выход блока измерения геодезических параметров соединены с входом блока обработки и выходной информации, выход которого соединен с входом блока градации выходной информации
3. Раскрытие изобретения
Общим недостатком отмеченных выше технических решений является то, что они определяют техническое состояние здания и сооружения (далее объект) лишь на момент снятия датчиками различных характеристик (периоды собственных колебаний, наклоны и др.), что не позволяет осуществлять прогнозную оценку будущего технического состояния объекта на длительный временной интервал. Особенно это важно при мониторинге технического состояния объекта, располагаемого на территориях со сложными сейсмическими и/или гидрогеологическими условиями (наличие карстовых и оползневых явлений, близкий к земной поверхности уровень грунтовых вод и др.). В этих условиях, как показывает практика, неблагоприятное изменение во времени состояния сейсмических и/или гидрогеологических условий в начальной стадии развития этих процессов под объектом (рост карстовых образований, медленные оползневые подвижки, повышение уровня грунтовых вод и др.) практически не сказывается на ранней стадии на техническом состоянии строительных конструкций наземной части объекта, и как следствие этого не представляется возможным осуществить на ранней стадии прогнозную оценку будущего технического состояния наземной части объекта на длительный временной интервал.
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по устранению вышеуказанного недостатка и созданию такого способа мониторинга и прогноза технического состояния объекта и системы для его осуществления, которые бы позволили бы на ранней стадии развития неблагоприятных сейсмических и/или гидрогеологических процессов осуществить прогнозную оценку будущего технического состояния наземной части объекта на длительный временной интервал и тем самым позволили бы, при необходимости, реализовать комплекс превентивных мер по предотвращению разрушения объекта.
Указанный технический результат достигается тем, что на объекте:
устанавливают блок датчиков и оборудования автоматизированной системы мониторинга (датчики измерения наклона 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 нагрузок (в том числе датчики давления на грунт) и/или датчики измерения деформаций, и/или геодезическое оборудование для измерения пространственных параметров и/или навигационные приборы для определения координат и/или датчики измерения температуры и/или датчики измерения влажности и/или датчики измерения прогибов и/или датчики измерения абсолютной и неравномерной осадки и/или датчики контроля трещин, стыков и швов и контролеры (электронные блоки) датчиков и/или оборудование, осуществляющие преобразование и сохранение измерений в цифровом виде для последующей обработки и анализа);
определяют в блоке расчета параметров технического состояния объекта по данным измерений этих датчиков (оборудования) параметры технического состояния объекта (например, собственные частоты колебаний, передаточные функции, рассчитываемые путем отношений спектра мощности измерений колебаний в двух точках объекта, наклоны, деформации, давление под фундаментной плитой и др.). Параметры технического состояния объекта могут представлять собой измеренные датчиками значения в определенный момент времени (например, деформации) и/или могут определяться путем осуществления математических операций над данными измерений датчиков и/или оборудования (например, вычисление среднего за заданный период времени, интегрирование, определение производных, преобразование Фурье и определение собственных частот, определение корреляционных зависимостей, определение максимальных и минимальных значений в заданный период времени и других математических операций);
фильтруют параметры технического состояния объекта в блоке фильтрации параметров технического состояния объекта по двум группам параметров. Первая группа параметров - параметры технического состояния нижней части объекта, вторая группа параметров - параметры технического состояния верхней части объекта. Разделение объекта на нижнюю и верхнюю часть осуществляется в зависимости от конструктивных особенностей и конкретной схемы реализации автоматизированной системы мониторинга. Например, одним из типов такого разделения может быть разделение на группу параметров технического состояния подземной части объекта и группу параметров технического состояния наземной части объекта. Для подземной части объекта могут определяться такие параметры технического состояния объекта, как: наклоны и/или неравномерность осадки, и/или абсолютная осадка, и/или деформации в фундаментной плите и/или сваях, и/или давление под фундаментной плитой и/или под пятой свай, и/или деформации в «стене в грунте», и/или деформации в несущих конструкциях подземных этажей, и/или температура, и/или влажность, и/или горизонтальное и/или вертикальное смещение конструкций подземной части и др. Техническое состояние подземной части объекта влияет на значения группы параметров, оценивающих техническое состояние наземной части объекта. К числу таких параметров относят следующие параметры: деформации в несущих конструкциях, и/или передаточные функции, и/или периоды (частоты) собственных колебаний, и/или формы собственных колебаний, и/или наклоны, и/или прогибы, и/или абсолютные осадки, и/или неравномерные осадки, и/или размеры трещин, и/или величину раскрытия стыков, швов, и/или геодезические параметры, и/или вертикальные и/или горизонтальные перемещения и др.;
Другим примером разделения на верхнюю и нижнюю часть является пример разбиения несущего каркаса объекта и его покрытия, представляющей собой сложную конструктивную схему, характерную для уникальных объектов (Ледовые дворцы спорта, стадионы и др.);
определяют с использованием параметров технического состояния нижней части объекта путем математического (компьютерного) моделирования объекта расчетные параметры строительных конструкций верхней части объекта (деформации в несущих конструкциях, и/или передаточные функции и/или периоды (частоты) собственных колебаний, и/или формы собственных колебаний, и/или наклоны, и/или прогибы, и/или абсолютные осадки, и/или неравномерные осадки, и/или размеры трещин, и/или величину раскрытия стыков, швов, и/или геодезические параметры, и/или вертикальные и/или горизонтальные перемещения и др.);
сравнивают расчетные параметры строительных конструкций верхней части объекта с аналогичными параметрами строительных конструкций верхней части объекта, определенных по результатам натурных измерений датчиками системы мониторинга;
корректируют параметры 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;
определяют по измеренным параметрам технического состояния нижней части тренды параметров технического состояния нижней части объекта (наклоны и/или неравномерность осадки, и/или абсолютная осадка, и/или деформации в фундаментной плите и/или сваях, и/или давление под фундаментной плитой и/или под пятой свай, и/или деформации в «стене в грунте», и/или деформации в несущих конструкциях подземных этажей, и/или температура, и/или влажность, и/или горизонтальное и/или вертикальное смещение конструкций подземной части и др.),
экстраполируют трендовые значения технических параметров состояния нижней части объекта (наклоны и/или неравномерность осадки, и/или абсолютная осадка, и/или деформации в фундаментной плите и/или сваях, и/или давление под фундаментной плитой и/или под пятой свай, и/или деформации в «стене в грунте», и/или деформации в несущих конструкциях подземных этажей, и/или температура, и/или влажность, и/или горизонтальное и/или вертикальное смещение конструкций нижней части и др.) на заданный временной интервал,
определяют на основе данных экстраполяции параметров технического состояния нижней части объекта прогнозные расчетные параметры строительных конструкций верхней части объекта (деформации в несущих конструкциях, и/или передаточные функции и/или периоды (частоты) собственных колебаний, и/или формы собственных колебаний, и/или наклоны, и/или прогибы, и/или абсолютные осадки, и/или неравномерные осадки, и/или размеры трещин, и/или величину раскрытия стыков, швов, и/или геодезические параметры, и/или вертикальные и/или горизонтальные перемещения и др.).
фиксируют для потребителя прогнозную оценку будущего технического состояния объекта на основе сравнительного анализа прогнозных расчетных параметров технического состояния строительных конструкций нижней и/или верхней части объекта с предельно допустимыми значениями.
Указанный технический результат в изобретении - системе мониторинга и прогноза технического состояния объекта достигается тем, что в системе, содержащей устройство ударного устройства, блок обработки и выходной информации, блок градации выходной информации, и/или вибродатчики, 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 дополнительно включены датчики давления (давление объекта на грунт и/или давление 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 сравнения, пороговое устройство, блок математического моделирования и расчета параметров технического состояния верхней части объекта, блок корректировки параметров математической модели объекта, электронный ключ, блок определения трендов и экстраполяции параметров технического состояния нижней части объекта, 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.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
В частном случае исполнения настоящего изобретения в качестве нижней части используют подземную часть объекта, а в качестве верхней части используют наземную часть объекта.
В частном случае величина временного интервала на который экстраполируют трендовые значения технических параметров состояния нижней части объекта выбирается исходя из конструктивных особенностей объекта, сейсмогеологических и/или гидрогеологических условий расположения объекта.
В частном случае исполнения настоящего изобретения для математического моделирования объекта используют программные пакеты конечно-элементного анализа (ANSYS, NASTRAN, MicroFe, ЛИРА, SCAD, МОНОМАХ и др.)
В частном случае исполнения настоящего изобретения величина уровня порога, устанавливаемого в пороговом устройстве, выбирается в зависимости от используемой расчетной схемы объекта, методов математического моделирования и точностных характеристик датчиков.
В частном случае исполнения настоящего изобретения устройство ударного воздействия может представлять собой механическое устройство, и/или электрическое устройство, и/или электромеханическое устройство, и/или магнитное устройство, и/или электромагнитное устройство, и/или гидравлическое устройство, и/или взрывное устройство, и/или устройство возбуждения гармонических и/или специальных колебаний.
В частном случае исполнения настоящего изобретения ударное воздействие на объект может осуществляться воздействием микросейсмического фона и/или техногенного характера.
В частном случае исполнения настоящего изобретения датчики, устанавливаемые на нижней и/или верхней части объекта изготавливаются с использованием оптоволокна.
В частном случае исполнения настоящего изобретения выходная информация блока градации выходной информации представлена информационным сигналом в виде не менее трех градаций, отличающихся друг от друга различной окраской и/или звуковым сопровождением.
В частном случае исполнения настоящего изобретения в блок обработки и выходной информации включены геоинформационные системы.
В частном случае исполнения настоящего изобретения в блок градации выходной информации включены геоинформационные системы.
В частном случае исполнения настоящего изобретения линиями связи функциональных блоков системы являются проводные линии связи.
В частном случае исполнения настоящего изобретения линиями связи функциональных блоков системы являются беспроводные линии связи.
В частном случае исполнения настоящего изобретения линиями связи функциональных блоков системы являются комбинации проводных и беспроводных линий связи.
В частом случае исполнения настоящего изобретения датчиками измерения ускорений колебаний объекта могут являться акселерометры.
В частном случае исполнения настоящего изобретения датчиками измерения скоростей колебаний объекта могут являться велосиметры.
В частном случае исполнения настоящего изобретения датчики измерения амплитуд смещения объекта могут являться сейсмометры.
В частном случае исполнения настоящего изобретения датчиками измерения наклонов объекта могут являться наклономеры, и/или инклинометры, и/или клинометры.
В частном случае исполнения настоящего изобретения датчиками измерения прогибов объекта могут являться прогибомеры.
В частном случае исполнения настоящего изобретения датчиками измерения напряжения объекта могут являться тензометры.
В частном случае исполнения настоящего изобретения датчиками измерения нагрузок на объект могут являться датчики давления.
В частном случае исполнения настоящего изобретения датчиками контроля трещин, стыков и швов могут являться трещиномеры.
В частном случае исполнения настоящего изобретения датчиками измерения геодезических параметров объекта могут являться тахеометры и/или теодолиты со вспомогательным оборудованием.
4. Краткое описание чертежей
Изобретение иллюстрируется чертежами.
На Фиг.1 изображена блок-схема системы мониторинга и прогнозирования технического состояния зданий и сооружений, где 1 - блок датчиков и оборудования автоматизированной системы мониторинга объекта, 2 - блок расчета параметров технического состояния объекта, 3 - блок фильтрации параметров технического состояния объекта, 4 - блок математического моделирования объекта и расчета параметров технического состояния верхней части объекта, 5 - блок сравнения, 6 - блок корректировки параметров математической модели объекта, 7 - пороговое устройство, 8 - электронный ключ, 9 - блок определения трендов и экстраполяции параметров технического состояния нижней части объекта, 10 - блок отображения прогнозной и мониторинговой информации, 11 - блок обработки и выходной информации, 12 - блок градации выходной информации.
На Фиг.2 изображен частный случай выходного изображения блока градации выходной информации, иллюстрирующего текущее техническое состояние объекта в режиме квазиреального времени.
На Фиг.3 изображен пример выходного изображения блока отображения прогнозной и мониторинговой информации, иллюстрирующего будущее техническое состояние объекта.
5. Осуществление изобретения
Одним из наиболее типичных вариантов реализации изобретения осуществляется следующим образом.
При развитии в начальной стадии неблагоприятных сейсмических и/или гидрогеологических условий (образование карстов, медленные оползневые явления, разжижжение грунтов и др.) на нижнюю (далее рассматривается частный случай осуществления изобретения, когда в качестве нижней части выступает подземная часть объекта, а в качестве верхней части - наземная часть объекта) часть объекта начинают воздействовать соответствующие внешние нагрузки, которые при достижении определенного уровня приводят к изменению параметров технического состояния (наклон, неравномерность осадки, горизонтальное смещение и др.) подземной части объекта в целом или отдельных ее конструкций (фундаментной плиты, свай, колонны и перекрытия подземных этажей, «стена в грунте»). Причем, как следует из практики даже существенное изменение параметров подземной части объекта (например, снижение давления на грунт под одной или несколькими сваями и/или фундаментной плиты) может практически не сказаться сразу на техническом состоянии наземной части объекта и не регистрироваться соответствующими датчиками. Для прогнозирования напряженно-деформированного состояния объекта осуществляется регистрация и съем информации с блока датчиков и оборудования автоматизированной системы мониторинга, которая поступает в блок расчета параметров технического состояния объекта, где на основе измерений датчиков и оборудования автоматизированной системы мониторинга, рассчитываются параметры технического состояния путем выполнения над измерениями математических операций (интегрирование, дифференцирование, вычисление среднего за заданный период времени, преобразование Фурье и др.). Вычисленные параметры поступают на вход блока фильтрации параметров технического состояния объекта, где параметры технического состояния объекта делятся на две группы по признаку их принадлежности к нижней (в данном примере подземной) и верхней (в данном примере наземной) части объекта. Параметры технического состояния подземной части объекта поступают на вход в блок математического моделирования объекта и расчета параметров технического состояния верхней части объекта, где осуществляется (по результатам математического (компьютерного) моделирования) расчет параметров строительных конструкций наземной части зданий и сооружений (периоды собственных колебаний, и/или наклоны, и/или прогибы, и/или перемещения, и/или напряжения, и/или абсолютные и/или неравномерные осадки, и/или размеры трещин, и/или величины раскрытия стыков, швов, и/или геодезические параметры (в том числе и пространственные координаты)). Полученные расчетные данные сравниваются в блоке сравнения с аналогичными данными, получаемыми с выхода блока фильтрации параметров технического состояния объекта, которые определяются по данным натурных измерений датчиков, располагаемых на наземной части объекта. В случае если сравниваемые данные отличаются на величину больше заданного порога, то в блоке коррекции параметров математической модели объекта осуществляется коррекция параметров математической модели таким образом, чтобы расхождение между расчетными данными параметров строительных конструкций наземной части объекта, получаемых с выхода блока математического моделирования и аналогичными данными со второго выхода блока фильтрации параметров технического состояния объекта по натурным измерениям от датчиков, установленных на наземной части объекта, стали меньше заданного порога. Таким образом, устанавливается адекватность математической модели объекта своему физическому прототипу. В процессе корректировки математической модели объекта информация с выхода блока математического моделирования объекта не поступает на вход блока отображения прогнозной и мониторинговой информации, т.к. сигнал с первого выхода порогового устройства запирает электронный ключ по первому управляющему входу. После того как корректировка математической модели объекта будет закончена, сигнал с выхода блока сравнения станет меньше заданного порога, сигнал со второго выхода порогового устройства откроет электронный ключ по второму управляющему входу и в блоке определения трендов и экстраполяции параметров технического состояния нижней части объекта будут определены тренды параметров технического состояния подземной части объекта (наклон, неравномерность осадки, горизонтальное смещение и др.) и будет произведена экстраполяция данных параметров на заданный временной интервал. По экстраполированным значениям параметров подземной части объекта в блоке математического моделирования объекта и расчета параметров технического состояния верхней части объекта рассчитываются прогнозные параметры технического состояния наземной части, после чего прогнозная оценка будущего технического состояния здания и сооружения по различным параметрам поступит в блок отображения прогнозной и мониторинговой информации. Данная прогнозная информация, а также информация от блока определения трендов и экстраполяции параметров технического состояния нижней части объекта о трендах параметров технического состояния подземной части объекта (наклон и/или неравномерность осадки, и/или горизонтальное смещение и др.) отображается для потребителя (эксплуатирующая организация, собственник здания и сооружения и др.) в блоке отображения прогнозной и мониторинговой информации. На основании полученной мониторинговой информации о будущем техническом состоянии объекта потребитель может принять комплекс превентивных мер по предотвращению разрушения объекта. Об эффективности принятых превентивных мер потребитель может судить по изменению трендов параметров технического состояния подземной части объекта (наклон и/или неравномерность осадки, и/или горизонтальное смещение и др.), информация о которых отображается в блоке отображения прогнозной и мониторинговой информации. Помимо прогнозной информации о будущем техническом состоянии объекта важно также потребителю иметь оперативную информацию о текущем состоянии объекта, особенно после воздействия на объект интенсивных внешних нагрузок природного и техногенного характера (землетрясение, наводнения, взрывы и др.). Такая возможность в предлагаемом изобретении предусмотрена по аналогии с техническим решением, взятом за прототип (патент на полезную модель № 66525 от 11.12.2006 г.) Это достигается тем, что сигнал с выхода блока расчетов параметров технического состояния объекта поступает на вход блока обработки и выходной информации, где проводится обработка параметров технического состояния сравнения в соответствии с критериями (например, значение параметра превышает заданный порог), используемые в блоке обработки и выходной информации с целью определения, в каком техническом состоянии находится объект. Информация с выхода блока обработки и выходной информации поступает на вход блока градации выходной информации, который формирует информационный сигнал различной окраски в зависимости от состояния объекта, например: а) нормально (например, зеленый цвет) б) накоплены серьезные дефекты (например, желтый цвет) в) накоплены дефекты опасные для безопасности объекта (например, красный цвет). При этом число градаций информационного сигнала на выходе блока градации выходной информации по цвету и/или по звуку должно быть не менее трех.
Таким образом, в предлагаемом изобретении решается техническая задача, позволяющая на ранней стадии развития неблагоприятных сейсмических и/или гидрогеологических процессов осуществить прогнозную оценку будущего технического состояния наземной части объекта на длительный временной интервал и тем самым, при необходимости, реализовать комплекс превентивных мер по предотвращению разрушения объекта. При этом решается также техническая задача по оценке текущего технического состояния объекта.