Технологии мониторинга безопасности зданий и сооружений в зонах катастрофических наводнений

УДК 614.8

Г.М. Нигметов к. т. н., М.С. Бабусенко к. т. н.

ТЕХНОЛОГИИ МОНИТОРИНГА БЕЗОПАСНОСТИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ В ЗОНАХ КАТАСТРОФИЧЕСКИХ НАВОДНЕНИЙ

Приведена методика мониторинга безопасности системы грунт-здание на основе обработки экспериментальных геометрических, физико-механических параметров и параметров, полученных при динамических испытаниях. Приведены результаты обследования грунтов, зданий и сооружений, подвергающихся затоплениям; рассмотрены вопросы реконструкции зданий на территории Германии и диагностика их состояния

Г.М. Нигметов

Опыт работы Агентства МЧС России по мониторингу и прогнозированию чрезвычайных ситуаций (ФЦ ВНИИ ГОЧС) показывает, что как при подготовке к возможной паводковой опасности, так и после катастрофического воздействия паводков необходимо проводить оценку устойчивости зданий и сооружений.

При подготовке к возможной паводковой опасности в первую очередь необходимо определить зону возможного катастрофического разлива. В Агентстве для этого применяются геоинформационные технологии. Существенное значение для получения приближенных к реальным данных по возможным параметрам зоны катастрофического наводнения имеют исходные данные. В первую очередь необходимо знать рельеф местности, рельеф дна, параметры источника наводнения в фоновом и катастрофическом состояниях, исходные параметры зданий и сооружений.

В системе мониторинга паводковой опасности и риска наиболее неохваченной частью является часть, связанная с зданиями и сооружениями. Например, известно, что параметры волны прорыва напрямую зависят от размеров прорана в теле плотины, а динамика раскрытия прорана зависит не только от конструктивного решения плотины, но и от его исходной степени износа. В свою очередь степень повреждения зданий и сооружений, попавших в зону катастрофического воздействия наводнения, зависит не только от параметров наводнения: скорости волны, глубины затопления, времени затопления, но также от исходного состояния зданий и сооружений. То есть, как мы видим важное значение имеет исходная величина степени повреждения зданий и сооружений, зная эту величину можно оценить устойчивость зданий и сооружений.

Для оценки степени повреждения зданий и сооружений в Агентстве используется технология, основанная на комплексном экспериментально-расчётном изучении системы грунт — здание. Необходимые исходные экспериментальные параметры получаются методами неразрушающего контроля с помощью мобильного диагностического комплекса. Состав приборов, входящих в мобильный диагностический комплекс приведён на рис. 1.

С помощью мобильного диагностического комплекса снимаются три основных вида параметров системы грунт - здание (сооружение), определяющих степень повреждения — это геометрические параметры, физико-механические параметры и динамические параметры.

Для снятия геометрических параметров здания (сооружения) и поверхности площадки в окрестности здания (сооружения) используются высокоточные геодезические приборы: лазерные дальномеры, тахеометры, GPS, лазерные сканеры. При необходимости производится съём рельефа местности в зоне возможного катастрофического наводнения. Геометрические параметры могут сниматься разово, несколько раз или непрерывно. При многократном или непрерывном снятие геометрических параметров призводится мониторинг возможных деформаций зданий (сооружений) и мониторинг возможных изменений во времени рельефа местности. Сравнивая полученные величины деформаций с нормируемыми можно предварительно оценить возможную степень повреждения здания (сооружения). На рис. 2 представлены оцениваемые геометрические параметры и нормируемые критерии.

Снятие физико-механических параметров производится как у фунтов площадки, так и у конструктивных элементов здания (сооружения). Для этого используются сейсморазведовательные и электроразведовательные

М.С. Бабусенко

Научно-технические разработки

о

о

ГС

О.

го

03

Q_

и

си

х

X

X

X

а

I

0

1

т

>*

ГО

I

Revealing of concealed defects and estimation o# serviceability of the ground-building system Dynamic test complex The light dynamic impulse is initiated and seismic sensors register the reaction

digital camera

mechanical and dynamical characteristics of soil

Seismic r< reconnaissance, georadar works, high precision geodesic survey, st boring and revealing of latent cavities are carried out

compact

radio

locator

Рис. 1. Состав приборов, входящих в мобильный диагностический комплекс

W Исход- ные завные га (мкс) Эталонная база В \'п= (B/tJIO э(м/с) Ев= «Па <W мПа Р = <Ш WSe^

Подвал^ стены ш оси ^пс^иВ-С 40.67 120 25*51 36,1

4139 120 2 т 33 .s

39 .«7 120 3025 39,7

40.67 Ш 2951 зел

39.67 і 20 3025 39.? 37.1 2.59 32.$

Подай. 41.22 120 2911.05 34.23

стены по оси 9 по оси C-D 40.Т2 т 2946.95 35.91

39.39 т 3046.46 40 82

40.72 120 2942.62 Зі?!

3S.17 120 3143.83 46.2§ 3S.60 Ш 30.42

Рис. 3. Определение физико-механических характеристик конструктивных элементов здания

Рис. 4. Пример получения геологических параметров после геофизических испытаний площадки

Т, > 1,5 ТГР 1,57; >1,57^

7] = /

И - Высота а - Ширина У Ъ - Длина

а - Параметр пипа здания

Тпв здания а

Крупнопанельное 0,045

Кирпичное или блочное 0,056

Здания с большими проемами 0,065

Железобетонный каркас 0,064

Монолитный каркас 0,08

Степень

повреждения

Увеличение в %

Рис. 5. Основные критерии при динамических испытаниях зданий (сооружений) для определения их степени повреждения

комплексы, приборы неразрушающего контроля: уль-трозвуковые и электромагнитные тестеры, цифровые склерометры. Информация снимается с обязательной привязкой к плану местности и планам, разрезам зданий (сооружений). Примеры оформления получаемой информации и фотографии применяемых приборов приведены на рис. 3.

Сравнение полученных данных производится с проектными данными, либо с установленными нор-

мативными критериями. Для грунтовой площадки важно установить не только физико-механические параметры, но и её строение, наличие возможных пустот и неоднородностей в районе фундаментов. Пример получаемой информации с помощью геофизических методов приведён на рис. 4. Основными параметрами, получаемыми с грунтовой площадки являются несущая способность грунтов и параметр сейсмичности.

Научно-технические разработки

Научно-технические разработки

Рис. 6. Примеры эпюр относительных ускорений и спектров колебаний, полученных после обработки экспериментальных данных динамических испытаний

Наиболее значимыми параметрами для диагностики устойчивости зданий (сооружений) являются параметры собственных колебаний грунта и здания (сооружения). Эти параметры снимаются с помощью многоканальной цифровой сейсмовибрационной станции «Струна-2». На рисунке 5 приведены основные критерии для оценки степени повреждения при динамических испытаниях. Пример расстановки датчиков для регистрации колебаний приведён на рис. 5. На рис. 6 приведены спектры и эпюры колебаний.

Используя эти экспериментально полученные параметры можно выполнить расчёты и определить устойчивость здания (сооружения) при фоновых условиях и при воздействии возможных нагрузок. Как мы рассматривали раньше нагрузки определяются, как на стадии прогнозирования, так и когда произошло наводнение. При воздействии волны прорыва нагрузкой является давление, которое вычисляется в зависимости от скорости волны и её высоты. При воздействии медленно протекающего наводнения основными параметрами поражения являются время и глубина воздействия. Если в первом случае может происходить механическое разрушение конструкций от давления волны, то во втором случае происходит снижение прочности грунта и материалов конструктивных элементов путем длительного намокания. В обоих случаях происходит снижение несущей способности зданий (сооружений).

Определение ущерба для зданий и сооружений производится в результате сравнения параметров устойчивости до наводнения и после наводнения.

Зная степень повреждения зданий (сооружений) и

рассматривая расчётную зону с известным количеством населения и зная потери среди населения легко определить величины рисков.

Летом 2002 года, в результате интенсивного выпадения осадков за короткий период времени, в Германии произошло сильное наводнение. Случай для Западной Европы редкий, но не уникальный. В ряде рек существенно поднялся уровень воды. В частности на реке Эльба в районе городов Магдебург и Виттенберг уровень воды превысил обычную отметку почти на пять с половиной метров. Затопление характеризовалось достаточно плавным затоплением территории, без резких гидравлических ударов и образования волны прорыва.

Рельеф местности подвергшейся наводнению (низменная равнина), предрасполагает к периодическому подтоплению населенных пунктов, расположенных на низких террасах рек.

Грунты — преимущественно озерно-речного происхождения неоднородно-слоистого строения с чередованием глинистых и песчаных грунтов. В большинстве случаев, непосредственно под фундаментами зданий и сооружений залегают мелкие глинистые пески, которые при замачивании до 30% теряют свою несущую способность. Такие грунты подвержены вымыванию при подтоплении фундаментов мелкого заложения. Наиболее неблагоприятными явились территории, сложенные с поверхности иловатыми глинами, мелкими песками, предрасположенными к вымыванию. Участки с такими грунтами имеются в районе населенных пунктов Seegrehna, Prettin, где провалы и оседания почв могут продолжаться.

700 560 420 280 •но

о

МАСОЕВиРЮ-БТРОМВРиЕС ЕІ.ВЕ УУаэзегйапс! ст

КМ 326.000 2. September 2002 09.21 ІІІіг

/

п

3. 4, 5. 6 7. 8. Э. 10.11. 12.13. 14 15.16. 17.18. 19. 20 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29, 30, 31. 1. 2.

700

560

420

280

140

0

Рис. 7. Уровни подъема воды в районе городов Магдебург и Виттенберг

Рис. 8. Разрушение стены построенной на насыпном грунте

Из-за равнинного рельефа затопляемой территории, фундаменты, цокольные части и нижние этажи многих зданий и сооружений подверглись длительному замачиванию. Как видно из графиков на рис. 7 время затопления составило срок от трех и более недель.

В большинстве сельских населенных пунктов жилые дома и хозяйственные постройки возведены в

конце 19 — начале 20 века. Значительная часть малых городов застроена приблизительно в этот же период.

Очевидно, время строительства определяло применение тех или иных строительных материалов и технологию строительства.

В Германии (в Западной Европе), как правило, применялись природные мелкоштучные материалы, добываемые в карьерах и полнотелые глиняные

Научно-технические разработки

Научно-технические разработки

Рис. 9. Внешний вид дома по адресу: Prettin, Hohestraße, 24

кирпичи. Растворы, как правило, были известковые, сложные глиняные и цементно-известковые.

Здания более ранней постройки (18 - начало 19 века) имеющие историческую ценность представляют собой деревянный каркас, с саманным заполнителем, установленный на мелко заглубленный фундамент из бутового камня на известковом или сложном глиняном растворе, при этом подвалы расположены только под частью здания. Междуэтажные перекрытия — деревянные балки.

К преимуществам каменных конструкций относится простота изготовления, возможность применения местных материалов, долговечность, огнестойкость, относительно высокая прочность, влаго-, морозо-, химическая стойкость. Это и определяет их широкое применение. К недостаткам можно отнести значительные трудовые затраты на возведение, большую массу и высокую теплопроводность.

1 Каменная кладка представляет собой не однородное тело, состоящее из камней и разделенное вертикальными и горизонтальными швами, заполненными раствором. Эта неоднородность в основном и определяет особенности ее физико-механи-ческих свойств.

Анализ работы каменной кладки при сжатии

показывает, что вертикальные швы практически не участвуют в работе из-за нарушения сцепления раствора с камнем вследствие его усадки в процессе твердения. Нагрузка на нижележащие слои кладки передается через горизонтальные швы. Причем передача нагрузки происходит не равномерно, так как плотность и жесткость раствора по длине шва не одинаковы, да и плоскости камней могут иметь неровности.

Известковые, сложные глиняные растворы медленно твердеют, имеют низкую прочность и быстро разрушаются при увеличении влажности, поэтому они могут применяться лишь при небольших нагрузках и в относительно сухом климате.

Особенности каменных конструкций при длительном намокании достаточно ярко проявились во время сильного наводнения в Западной Европе.

С 24.08 по 3.09. 2002 года в Германии работала оперативная группа ФЦ ВНИИ ГОЧС по обследованию зданий и сооружений. Группа работала в районе города Магдебург и в районе города Виттенберг. Для определения степени повреждения и в конечном итоге - устойчивости зданий применялась предлагаемая комплексная технология определения технического состояния зданий.

Технология включала в себя высокоточное обследование геометрии строительной площадки и объектов неразрушающий контроль прочности основных конструктивных элементов и фунтового массива, а также динамический контроль параметров грунтового массива и объектов.

Полученные геометрические физико-механи-ческие и динамические параметры сравнивались с нормативными значениями, производилось моделирование воздействия на здание опасных нагрузок с новыми полученными в результате инструментального контроля значениями основных параметров.

Использование этой технологии позволило оценить реальное состояние зданий подвергшихся длительному затоплению, оказывая на них сверхслабые неразрушающие воздействия и проводя измерения высокочувствительной аппаратурой.

Результатом обследований явились заключения о техническом состоянии зданий и рекомендации по их дальнейшей эксплуатации и ремонту.

В ходе работы было обследовано 11 объектов, из них 10 — кирпичных зданий и одно здание с деревянным каркасом и саманным заполнением. Здания имели слабые фундаменты, при этом многие дома подвергались реконструкции. Грунты оснований в большинстве случаев также оказывались слабыми. Стены почти всех обследуемых зданий имели старые вертикальные трещины, что говорит о просадках фундаментов еще до наводнения. Воздействие воды ускорило процессы разрушения, в некоторых случаях они стали необратимы.

Реконструкция, как правило, заключалась в замене покрытия и кровли. В ряде случаев, при разрушении перекрытия подвала, часть подвала засыпалась грунтом (песком), что оказало дополнительное боковое воздействие на стены подвала. При устройстве нового пола, лаги укладывались прямо на засыпной грунт. При перепланировке внутренней части дома, фундаменты стен, в том числе и несущих, устраивались так же в насыпном грунте. Глубина заложения таких фундаментов составляла 0,3-0,5 м. После понижения уровня воды, вследствие уплотнения и вымывания насыпного грунта наблюдались разрушения стен (рис. 8) и проседание полов.

Прочность каменной кладки на слабых растворах во многом зависит от содержания в ней влаги. Содержание строительной влаги в конструкциях обусловлено спецификой их изготовления и в начальный период обычно не превышает для каменных и армокаменных конструкций 8-12%. При неблагоприятных условиях эксплуатации влажность материала конструкций может существенно увеличиваться. Повышение содержания влаги в кирпичной кладке ведет к снижению ее несущей способности.

Следует отметить, что для стен, у которых отсутствует горизонтальная гидроизоляция или когда гидроизоляция расположена ниже отмостки характерно увлажнение капиллярным подсосом грунтовой влаги.

В случае наводнения уровень воды почти всегда находится выше горизонтальной гидроизоляции.

Механизм капиллярного увлажнения основан на действии сил притяжения между молекулами твердого тела и жидкости (явление смачивания). При отсутствии в материале стены гидрофобных (водоотталкивающих) веществ вода смачивает стенки капилляров и поднимается по ним. Высоту поднятия воды в капилляре можно определить по формуле Д. Жюрена:

1 - 2(5

П —----7-------с— ’

Г (р,-р2) е

где Ь - высота поднятия воды в капилляре;

г — радиус капилляра, см;

р1 и р2 — соответственно плотность воды и воздуха;

% - ускорение свободного падения;

с - поверхностное натяжение воды.

В капиллярно-пористых материалах, к которым относятся кирпич и цементно-песчаный раствор, радиус капилляров находится в пределах 1 • 10 6 — 1 • 102 см. Поверхностное натяжение воды при температуре +20 °С составляет 72, * 10 5 Н/см. Если пренебречь плотностью воздуха, то максимальная высота подъема воды в капилляре за счет сил смачивания составит примерно 1,5 м.

Если учесть, что уровень воды при наводнении находился на уровне пола первых этажей жилых зданий, то при капиллярном эффекте стены намокали на высоту 3—4 м от уровня отмостки.

Сочетание нескольких неблагоприятных факторов: снижение связующих свойств раствора кладки вследствие намокания, неравномерная глубина заложения частей фундаментов здания, просадочные грунты оснований, естественный уклон местности и т.п. привело к тому, что некоторые здания оказались в аварийном состоянии и даже под угрозой обрушения (рис. 9).

Анализируя результаты обследований, можно сделать некоторые обобщения.

Большинство домов оказавшихся в зоне затопления имели фундаменты, сложенные из природного камня высотой 10-20 см на известковом или сложном известково-глиняном растворе, с глубиной заложения до двух метров. Из-за отсутствия вертикальной гидроизоляции и защиты фундаментов в виде отмостки атмосферная вода, в ходе эксплуатации здания, размывала раствор открывая доступ влаги к внутренним рядам кладки. При длительном замачивании (наводнении) раствор существенно потерял свою связывающую способность, что ослабило несущую способность и прочность фундамента по всей его толщине. Появились трещины, камни вынимаются из кладки.

Наблюдаются так же неравномерная глубина заложения частей фундамента одного здания, что приводит к неравномерному распределению нагрузки. В условиях грунтов, которые при замачивании теряют свою несущую способность, это привело к образованию сквозных вертикальных трещин в несущих стенах (рис. 9).

Научно-технические разработки

Таблица

Результаты диагностирования зданий по методу динамических испытаний

№ п/п Адрес здания Период собственных колебаний по X, нормативный/измеренный Период собственных колебаний по У, нормативный/измеренный Степень повреждения

1 Gübs, Dorfstraße, 43 0,201 с/0,147 с 0,262 с/0,104 с Средняя

2 Gübs, Dorfstraße, 46 0,252 с/0,173 с 0,298с/0,180 с Легкая

3 Wittenberg- Pratau, Wittenberger Straße 2, блок № 1 0,235 с/0,093 с 0,328 с/0,122 с Легкая

4 Wittenberg-Pratau, Wittenberger Straße 2, блок № 2 0,182 с/0,104 с 0,266 с/0,213 с Легкая

5 Seegrehna, Wttenberger Straße, 38, Landkreis Jerichower Land 0,27 с/0,307 с 0,29 с/0,116 с Средняя

6 Iserbegka, Hauptstraße, 10, Landkreis Lutherstadt Wittenber 0,207 с/0,1 с 0,351 с/0,079 с Средняя

7 Prettin, Hohestraße, 24, Landkreis Lutherstadt Wittenberg 0,35 с/0.146 с 0,4 с/0,187 с Тяжелая

о

VO

ГО

Q_

ГО

03

Q-

* U О; X X X X

ц

0

X

т

>.

ГО

1

Стены сложены, из обыкновенного глиняного кирпича на известковом или цементно-извест-ковом растворе. В результате деформаций фундамента, большинство домов имеет вертикальные трещины в стенах, в том числе, в несущих стенах. Трещины заделаны без соблюдения строительной технологии, что приводит к вымыванию раствора из кладки и разрушению материала стен атмосферными осадками. Наводнение усугубило положение тем, что при отсутствии горизонтальной гидроизоляции несущих стен, они намокли на большую высоту. Переувлажнение слабых растворов привело к появлению новых трещин и ослаблению жесткости конструкций.

В большинстве аварийных зданий нарушена целостность кровли, что также приводит к вымыванию раствора кладки стен и развитию гнилостных процессов в деревянных балках перекрытия. Балки

перекрытии как правило не менялись в течение всего срока эксплуатации, их возраст составляет 100 и более лет.

Подвал в кирпичных строениях, за редким исключением, располагается под всем зданием. Перекрытие подвала практически всех зданий - каменный свод по металлическим балкам. Затопление подвалов привело к развитию интенсивных коррозионных процессов металлических составляющих сводов.

Для определения типа здания при диагностике использовалась следующая классификация:

> тип А1 — местные здания. Здания со стенами из местных строительных материалов, со стенами из самана или сырцового кирпича, с каменными, кирпичными или бетонными фундаментами:

> тип Б — местные здания. Здания с деревянным каркасом с заполнителем из самана или глины и легкими перекрытиями; здания из жженого кирпича,

тесаного камня или бетонных блоков на известковом, цементном или сложном растворе;

> тип В — местные здания. Деревянные дома рубленные, железобетонные, каркасные, крупнопанельные и армированные крупноблочные дома.

> уникальные здания и сооружения.

Экспресс-оценка степени повреждения зданий

может быть получена методом динамических испытаний.

Результаты диагностирования зданий по методу динамических испытаний приведены в таблице.

Большинство из испытанных зданий имеют среднюю и легкую степени повреждения.

Из таблицы видно, что традиционный критерий

по увеличению периода собственных колебаний не всегда срабатывал. Однако наблюдалось заметное изменение соотношений периодов колебаний по продольной и поперечной осям.

Анализ выполненных работ по диагностированию зданий подвергшихся воздействию наводнения показывает, что для оперативного определения устойчивости вполне пригоден метод динамических испытаний. Используя этот метод в сочетании с методами неразрушающего контроля прочности, сейсморазведки, динамического зондирования грунтов и высокоточной геодезии можно дать более точный ответ о состоянии здания и пригодности его к дальнейшей эксплуатации.

Литература

1 Государственные доклады МЧС России о состоянии защиты населения и территории РФ от ЧС за 1998, 1999, 2000, 2001 и 2002 гг. - М.: МЧС России.

2. Россия: водно-ресурсный потенциал. — Екатеринбург, 1998.

3. Справочник по опасным природным явлениям в РФ. - С.-Пб: Гидрометеоиздат, 1977.

4. Экспресс-методика прогнозирования последствий наводнений и паводков. - М.: ВНИИ ГОЧС, 1993.

5. Методика технико-экономического обоснования рационального комплекса мероприятий по предупреждению разрушительных последствий паводков и наводнений. - М.: ВНИИ ГОЧС, 1993.

6. Методика оперативного прогнозирования инженерных последствий прорыва гидроузлов. - М.: МЧС России,1997.

7. Методические рекомендации по организации и проведению мероприятий при угрозе затопления населенных пунктов и территорий: научно-методическое пособие. - М.: МЧС России, 1999.

8. Аварии и повреждения больших плотин / Розанов Н. С., Царев А. И., Михайлов Л. П., Соколов И. Б. - М.: Энергоатомиздат, 1986.

9. Иващенко И.Н. Инженерная оценка надежности грунтовых плотин. — М.: Энергоатомиздат, 1993.

10. Владимиров В.А. Катастрофы конца XX века. - М.: Изд. УРСС, 1998.

11. Аварии и повреждения гидротехнических сооружений за рубежом. Труды ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева, вып. I и II (библиография), 1967.

12. Ларионов В.И. Теоретические основы реагирования на ЧС. Прогнозирование ЧС. Механика разрушения. - М.: Изд. ВИУ, 1999.

13. Кузин П.С. Классификация рек и гидрологическое районирование СССР. - Л.: Гидрометеоиздат, 1960.

14. Нежиховский Р. А. Наводнения на реках и озерах. — Л.: Гидрометеоиздат, 1988.

15. Пясковский Р. А. Наводнения. - Л.: Гидрометеоиздат, 1982.

16. Каталог отметок наивысших уровней воды рек и озер СССР. - Л.: Гидрометеоиздат, 1970.

17. Борисов Ю.А., Филатов Ю А. и другие. Справочные данные о ЧС техногенного, природного и экологического происхождения. - М.; Штаб ГО СССР, 1990.

18. Филатов Ю.А., Юзбеков Н.С. Перечень возможных объектов воздействия наводнений на реках европейской части РФ. - М.: ВНИИ ГОЧС, 1995.

19. Природные опасности России. Том 5. Гидрометеорологические опасности. Авторы - Бельчиков В. А., Борщ С. В., Гинзбург Б. М. и другие. - М.: РАН-МЧС России, 2001.

Научно-технические разработки