Автоматизация диагностики технического состояния культовых памятников архитектуры

УДК 624.04 Оленьков В. Д. Попов Д. С.

Автоматизация диагностики технического состояния культовых памятников архитеткуры

В статье рассматриваются проблемы и методы оценки технического состояния культовых памятников архитектуры. Авторами предложена методика диагностики технического состояния культовых памятников архитектуры, которая позволяет минимизировать ошибки на этапе обмерных работ, при создании расчетной схемы и расчете конструкций зданий и сооружений. В статье авторы высоко оценивают данную методику, имеющую большие перспективы развития.

Оленьков Валентин Данилович

профессор архитектурно-строительного факультета ЮУрГУ, чл.-корр. Академии архитектурного наследия E-mail:centernasledie@ mail.ru

Ключевые слова: диагностика технического состояния, лазерное сканирование, автоматизация обработки данных, конечно-элементное моделирование.

OLENKOVV.D.

POPOVD. S.

AUTOMATION OF DIAGNOSTICS OF THE TECHNICAL CONDITION OF CULT MONUMENTS OF ARCHITECTURE

The article deals with the problems and methods for assessing the technical condition of cult monuments of architecture. The authors proposed the method of testing the technical state of cult monuments of architecture. The technique minimizes errors during manual operations. The technique allows to minimize errors in the performance of a design scheme and calculation of building and structures. The authors appreciate this technique, which has great prospects for development.

Keywords: diagnostic troubleshooting, laser scanning, data processing automation, finite element modulation.

Попов

Денис Сергеевич

инженер Управления научных исследований ЮУрГУ Е-та11:сетегпа81есИе@ mail.ru

При диагностике технического состояния зданий культовых памятников архитектуры эксперты часто сталкиваются со сложными случаями деформаций и разрушений несущих конструкций. В первую очередь это связано с тем, что такие сооружения за долгое время своего существования испытали действие множества факторов, негативно повлиявших на техническое состояние конструкций. Морозные разрушения кладки, деформации грунтов основания, коррозия металла, механические повреждения и утраты целых элементов могут не только исказить, но и принципиально изменить начальную конструктивную схему здания.

В настоящее время компетентность диагностики технического состояния зданий и сооружений зависит, в первую очередь, от квалификации специалиста, проводящего инженерные исследования. При этом нередки случаи принятия неверных технических решений, осуществленных на основе ошибочных представлений о работе конструкций или неполной диагностики, не учитывающей действие каких-либо скрытых факторов.

Для уменьшения количества «человеческого фактора» в процессе определения технического

состояния зданий и сооружений была разработана и опробована методика диагностики, основанная на том, чтобы свести к минимуму количество ручных операций на всех этапах работ над исследуемым объектом. Суть методики заключается в объединении данных, полученных различными инструментами и приборами (лазерный сканер, георадар, тепловизор, ультразвуковые измерители и т. д.), в единое информационное поле и цифровую модель здания.

Данная методика использовалась на следующих культовых памятниках архитектуры:

• Церковь Покрова Пресвятой Богородицы в с. Большой Куяш Челябинской области (1812 г. постройки);

• Церковь Иоанна Предтечи в г. Катав-Ива-новск Челябинской области (1824 г. постройки);

• Церковь Александра Невского в с. Харино Челябинской области (1910 г. постройки);

• Церковь Александра Невского в г.Челябинске (1911 г. постройки).

Рассмотрим применение методики на примере диагностики памятника архитектуры начала XIX в. - Церкви Покрова Пресвятой Богородицы в селе Большой Куяш Челябинской области.

Строительные науки

"Н

р _ -_гтп

ТОЇ ?

Рисунок 1. Обмерный чертеж южного фасада церкви, полученный полуавтоматическим способом

Кирпичное здание церкви построено в 1812 г. Центрально-осевая объемно -пространственная композиция здания составлена из большого объема храма, вытянутого объема притвора с колокольней, соединенного с храмом посредством трапезной, а также прямоугольной апсиды, примыкающей с востока. Южный и северный фасады храма акцентированы четырехколонным портиком с фронтоном. Двухъярусная колокольня, возвышающаяся над притвором, выполнена в форме четверика. Колокольня завершается ступенчатым карнизом и коробовым завершением, прорезанным четырьмя люкарнами.

Здание с жесткой конструктивной схемой: несущие наружные и внутренние кирпичные стены с внутренним связевым каркасом из металлических стержней. Фундаменты ленточные, бутовые, выложенные из рваного бутового камня на известково-песчаном растворе. Перекрытия - сводчатые кирпичные.

В качестве церкви здание эксплуатировалось до 1936 г. После 1937 г. здание переоборудовали сначала под клуб, затем под склад. В настоящее время здание не эксплуатируется.

Работа по инженерному обследованию конструкций здания проводилась в апреле-июне 2010 г. В результате визуального осмотра объекта было установлено, что здание имеет многочисленные повреждения несущих конструкций:

• поверхностные морозные разрушения кладки;

• выпадение отдельных кирпичей и частей кладки по всему зданию;

• диагональные трещины наружных и внутренних стен;

• ряд пробитых отверстий в сводчатых перекрытиях;

• разорванные металлические стержни связевого каркаса.

Основной причиной такого состояния конструкций стало длительное воздействие атмосферных осадков при отсутствии кровли над притвором, трапезной, алтарной частью, портиками, а также полном отсутствии водосточной системы и отмостки вокруг здания.

Наиболее опасным дефектом является уменьшение рабочей толщины сводов (над трапезной и апсидой) в результате промораживания наружных слоев кладки. С целью определения их остаточной несущей способности и возможности обрушения необходимо было провести статический расчет. При этом надо было учесть неравномерную рабочую толщину сводов, неодинаковую прочность кладки в различных местах сводов, оценить влияние пробитых отверстий и стрежневого каркаса на их несущую способность.

Следует отметить, что особенностью арок и сводов из кладочного материала является многообразие их возможных трансформаций, изменяемость рабочей схемы под действием нагрузки, а также их совместная работа со связевым каркасом здания. Все это требует детального представления

о работе конструкции, механизме ее разрушения или деформации, о характере перераспределения внутренних сил при работе по измененной схеме и др. Даже небольшие ошибки при определении геометрии таких конструкций, составлении расчетной схемы мгауг привести к полностью неверным результатам и, соответственно, принятию некорректных технических решений. Традиционная методика расчета сводов, при которой каждый тип свода представляется как система элементарных арок или полуарок, образующих

форму свода и несущих свою часть нагрузки, в данном случае подходила мало, поскольку, выделив для расчета элементарную арку, нельзя учесть всех факторов, описанных выше. Если же выделить и рассчитать по отдельности множество арок, а затем оценить их взаимное влияние, то такая задача окажется слишком трудоемкой, при этом точность расчета также не будет исчерпывающей. Наилучшим вариантом является расчет точной цифровой модели всего здания, при котором будет учтено взаимное влияние всех элементов несущих конструкций, наличие трещин, отверстий, каналов, металлического связевого каркаса, неравномерная прочность кладки и т. д.

Для получения такой цифровой модели сводов и всего здания на полевом этапе работ проводилась трехмерная лазерная съемка объекта, в результате которой было получено цифровое облако отсканированных точек.

На камеральном этапе работ выполнялись следующие операции:

1 По облаку точек определялись величины вертикальных и горизонтальных отклонений конструкций здания.

2 Оцифрованное облако точек с помощью ряда программных комплексов конвертировалось в САЭ-модель.

3 Из САБ-модели в полуавтоматическом режиме были созданы высокоточные чертежи объекта (рисунок 1).

4 САО-модель оптимизировалась (под оптимизацией подразумевается упрощение расчетной модели в зависимости от поставленных задач) и конвертировалась в конечноэлементную модель (рисунок 4).

5 Назначены параметры конечноэлементной модели

6 Произведен расчет конечно-эле-ментной модели (рисунок 5).

7 По результатам расчета выявлены места с максимальными напряжениями в кирпичной кладке, с высокой точностью установлена несущая способность сводов и возможность их обрушения, спрогнозирована возможность увеличения раскрытия трещин и т. д.

Следует особо отметить, что с помощью лазерного сканера можно получить только облако точек, т. е. массив данных, содержащий информацию

Рисунок 2. Существующий объект

I

Рисунок 3, Оцифрованное облако точек

Рисунок 4. Конечно-элементная модель

о ХУг-координатах отсканированных точек объекта. Облако точек само по себе не является расчетной моделью здания - это только исходные данные

о точной геометрии объекта. Также нужно сказать, что к настоящему времени не разработано программного обеспечения, предназначенного для конвертации облаков точек строительных объектов в расчетные модели зданий. Поэтому для назначенных целей, во-первых, использовалось модифицированное программное обеспечение, предназначенное для машиностроения; во-вторых, был разработан программный модуль для расчетного комплекса Апяув, с помощью которого был оптимизирован процесс получения расчетной конечно-элементной модели. Этот модуль является ядром, через которое осуществляется обмен данных между различными программами и приборами. Программное обеспечение Ахнув было выбрано в первую очередь из-за высокой скорости и точности разбивки модели на конечные элементы, так как при лазерном сканировании приходится иметь дело с большими массивами данных (в рассмотренном примере количество

Рисунок 5. Расчет конечно-элементной модели

отсканированных точек составляет 22 миллиона).

Заключение

Предложенная методика автоматизации диагностики позволяет минимизировать ошибки на этапе обмерных работ, при создании расчетной схемы и расчете конструкций зданий и сооружений.

Данная методика имеет большие перспективы развития. Например, с помощью данных, полученных с георадаров, можно автоматически извлечь информацию о наличии пустот, дефектов, арматуры и других элементов внутри конструкций (лазерное сканирование дает информацию только о поверхности конструкций). Применение информации, полученной с ультразвуковых измерителей прочности и плотности, может автоматизировать сбор нагрузок, исключить ненужные для расчета материалы. Интегрирование всех этих данных в единое информационное поле и цифровую модель здания значительно повышает точность и скорость диагностики технического состояния памятников архитектуры.

Список использованной литературы

1 СП 13-102-2003. Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений. М., 2004.

2 СП 31-103-99. Здания, сооружения и комплексы православных храмов. М., 1999.

3 МДС 11-17.2004. Правила обследования зданий, сооружений и комплексов богослужебного и вспомогательного назначения. М., 2003.

4 МДС 31.9-2003. Православные храмы и комплексы. Пособие по проектированию и строительству. М., 2003.

5 СНиП П-22-81. Каменные и ар-мокаменные конструкции. Нормы проектирования. М., 1983.

6 Сашурин А. Д., Панжина Н.А. Влияние земных разломов на прочностные характеристики зданий и сооружений // Академический вестник УралНИИпроект РААСН. 2010. №1.