СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЗДАНИЙ И СТРОИТЕЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ
DIAGNOSTIC METHOD OF TECHNICAL STATE OF BUILDINGS AND STRUCTURES

Изобретение относится к строительству и может быть использовано для экспертной оценки и диагностики технического состояния зданий и строительных сооружений, для прогнозирования изменения состояние объекта в  результате проведенных ремонтных работ и выполненных усилений, а также проводить расчет на долговечность с учетом прогнозируемого изменения напряженно-деформированного состояния зданий и строительных сооружений.
Известен способ проведения обследований строительных сооружений и оценки технического состояния строительных сооружений (Гиндоян А.Г. Пособие по обследованию строительных конструкций зданий. АО "ЦНИИПромзданий", М., 1997, с. 7 - 11).
Однако данный способ сложен и трудоемок, проведенные измерения по данному способу недостаточно точны, а анализ результатов не является достоверным.
Известно техническое решение способа оценки технического состояния металлических конструкций строительных сооружений (патент N RU N 2086741), включающего анализ проектной и нормативной документации на металлические конструкции, определение параметров сечений для инструментального обследования, установление критериев пригодности и их допустимые величины, проведение замеров и другого инструментального обследования, сравнение полученных значений с допустимыми величинами и установка пригодности конструкции для дальнейшей безопасной эксплуатации.
Однако и в данном способе не достигается достаточной точности измерений при наименьшей трудоемкости.
Наиболее близким решением, принятым в качестве прототипа является «Способ построения многопараметрических цифровых моделей строительных объектов, анализа и моделирования их состояния (варианты)» по патенту № 2177144, МПК G01C 15/00, публ. 20.12.2001.
Известное решение раскрывает способ построения многопараметрических цифровых моделей строительных объектов, анализа и моделирования их состояния, заключающийся в том, что вычисляют пространственные координаты точек конструктивных элементов объекта и точек, определяющих контур и особенности геометрии составляющих его частей, проводят детальное инструментальное обследование элементов строительного объекта, определяют фактические параметры и характеристики материалов элементов строительного объекта и фактические параметры состояния и характеристики грунтового основания, определяют фактические значения параметров повреждений, дефектов и связей отдельных составляющих конструктивных элементов строительного объекта, на основании этих данных проводят построение пространственных многопараметрических цифровых моделей объекта и схем его нагружения, после этого расчетным путем устанавливают пригодность элементов строительного объекта и сооружения в целом для дальнейшей безопасной эксплуатации, недостаточность несущей способности или необходимые виды ремонта.
Недостатком известного решения является отсутствие возможности прогнозирования изменения состояния объекта с учетом изменения во времени напряженно-деформированного состояния здания или строительного сооружения в условиях воздействия температурно-влажностного режима.
Техническим результатом от использования данного изобретения является повышение точности диагностики и прогнозирования технического состояния здания или строительного сооружения и его долговечности.
Заявленный технический результат достигается следующим образом.
Способ диагностики технического состояния зданий и строительных сооружений характеризуется тем, что создают пространственную многопараметрическую цифровую модель объекта, для чего строят геометрическую модель объекта, определяющую его контуры и особенности геометрии составляющих его частей. На основании инструментальных исследований определяют параметры материалов элементов объекта с учетом их повреждений и дефектов. И также на основании инструментальных исследований определяют физико-механические характеристики несущих элементов  конструкций, фундамента и грунтового основания. Затем определяют наличие и характеристики взаимосвязей системы здание-фундамент-грунтовое основание.  Проводят мониторинг температурно-влажностного режима зданий или строительных сооружений, при котором определение областей здания или сооружения с максимальной и минимальной температурой и/или влажностью производят в следующем порядке: фиксируют имеющиеся метеоусловия при их относительной стабилизации, характеризующейся силой ветра – не более 2 м/с, отсутствием осадков, отсутствием изменений температуры - не более 5оС и влажности – не более 10% в течении суток; проводят тепловизионную съемку всех внутренних стен во всех помещениях здания или сооружения,  на основании полученных максимальных и минимальных значений  температур на термограммах определяют аномальные области для установки термо-влагорегистраторов и фиксируют их местоположение, после чего в выбранных областях проводят автоматизированный мониторинг показаний температуры. Затем проводят автоматизированный мониторинг показаний температуры следующим образом. Устанавливают каждый цикл фиксации температуры и/или влажности с частотой не более одного раза в секунду в период не менее 24 часов, фиксируют максимальные и минимальные значения и максимальные суточные колебания температур и влажности, при изменении метеоусловий и их стабилизации проводят повторный цикл определения температуры и/или влажности. Определяют параметры грунтового основания с учетом его повреждений и дефектов. После чего формируют динамическую трехмерную многопараметрическую цифровую модель, отражающую  прогнозируемое изменение во времени каждой характеристики системы здание-фундамент-грунтовое основание как единого целого. На основании полученной цифровой модели осуществляют формирование конечно-элементной модели здания или сооружения, на основе которой проводят статический расчет сооружения с формированием матрицы жесткости конечно-элементной модели и вектора внешних воздействий, проводят динамический расчет с формированием матрицы масс, с учетом изменения во времени напряженно-деформированного состояния здания или строительного сооружения, определяют степень изменения состояния и степень долговечности здания или сооружения  в заданный период времени.
При этом, определение параметров материалов элементов объекта с учетом их повреждений и дефектов включает проведение микологических и экологических исследований, для получения данных о соответствующих характеристиках, оказывающих влияние на состояние материалов здания или строительного сооружения.
Кроме того, определение параметров грунтового основания с учетом его повреждений и дефектов включает проведение литологического исследования, а также микологического и экологического исследования, для получения данных о соответствующих характеристиках, оказывающих влияние на состояние грунтового основания.
Моделирование изменения во времени напряженно-деформированного состояния здания или сооружения производят с учетом силовых, и/или кинематических, и/или температурных, и/или динамических, и/или сейсмических нагрузок.
Полученные и обработанные данные мониторинга колебания температур и влажности обрабатываются с использованием табличного и/или графического построения максимальных, минимальных значений температуры и влажности воздуха в помещениях, амплитуд температур и влажности, а также значений разброса температуры и влажности по различным точкам помещений с наложением величин влажности и температуры наружного воздуха. В результате проведения мониторинга и обработки полученных данных в течение года, созданный массив данных используется в совокупности с иными диагностическими характеристиками здания и сооружения в целях прогнозирования его состояния.
Пример 1.
Результаты мониторинга колебания температур и влажности на неотапливаемом Объекте № 1 (первый этаж) приведены в Таблице № 1.
Таблица 1
На фиг. 1 представлена динамика изменения влажности Объекта № 1 (первый этаж) за 12 циклов (август 4 декада – декабрь 2 декада).
На фиг. 2 представлена динамика изменения температуры за 12 циклов (август 4 декада-декабрь 2 декада)
При создании многопараметрической цифровой модели строительных объектов (точной геометрической копии здания или сооружения, включающей также совокупность дефектов конструкций и физико-механических свойств материалов, выявленных при обследовании и лабораторных испытаниях - «CLONE») предварительно проводят анализ проектной и нормативной документации объекта, устанавливают критерии пригодности и их допустимые величины, создают геодезическое обоснование объекта относительно, по крайней мере, двух базовых точек с одновременным уравниванием погрешностей. После чего определяют линейные размеры конструктивных элементов и расстояния между точками контуров этих конструктивных элементов относительно координатно-пространственного обоснования с одновременным кодированием описания объекта и идентификацией конструктивных элементов объекта. Проводят детальное инструментальное обследование элементов строительного объекта, определяют фактические параметры и характеристики материалов элементов строительного объекта и фактические параметры состояния и характеристики грунтового основания. Определяют фактические значения параметров повреждений, дефектов и связей отдельных составляющих конструктивных элементов строительного объекта, наличие осадок, коррозий и т.п. и на основании этих данных проводят построение пространственную многопараметрическую цифровую модель объекта, его точной копии сооружения - «CLONE» и схем его нагружения.
На основании геометрической копии «CLONE» сооружения, которая является точной копией объекта, включающей совокупность дефектов конструкций и физико-механических свойств материалов, выявленных при обследовании и лабораторных испытаниях, а также включающей  фундамент (на момент обследования) и грунтовое основание, создается его расчетная конечно элементная модель (КЭ модель).
С помощью КЭ модели с учетом динамики изменения влажности и температуры реального объекта выполняются расчёты здания или строительного сооружения на заданные силовые, кинематические, температурные, динамические, сейсмические, и др. воздействия.  Указанные расчеты производятся с учетом физической или геометрической нелинейности. Под физической нелинейностью подразумевается, в первую очередь, нелинейная зависимость между напряжениями и деформациями материалов конструкций (пластичность, ползучесть, вязкопластичность и т.д.). В этом случае механические характеристики материалов могут быть заданы функциями деформаций, их скоростей, времени. Под геометрической нелинейностью понимается учет конечных или больших перемещений и деформаций, наличие односторонних связей и т. д.
При статическом расчете сооружения формируется матрица жесткости КЭ модели и вектор внешних воздействий. При динамическом расчете кроме этих объектов формируется матрица масс и в случае необходимости матрица демпфирования.
Результатом этих расчетов являются характеристики напряженно-деформированного состояния здания или сооружения, на основании которых делается заключение о его прочности и жесткости. Анализ результатов дает возможность выполнить   диагностику состояния объекта и классифицировать степень его аварийности и ремонтопригодности.
По результатам расчетов могут быть сделаны прогнозы долговечности сооружения.
Такой способ позволяет провести разработку мероприятий по восстановлению эксплуатационных качеств строительных объектов, а также моделирования поведения, анализа и прогнозирования их технического состояния после осуществления восстановительных операций, реконструкции или в результате естественного износа и старения.
Данный способ позволяет повысить точность определения фактической несущей способности строительного объекта, ускорить и упростить анализ документации и выработку рекомендаций по наиболее эффективным решениям на усиление и ремонт строительных объектов и их конструктивных элементов или выдачи заключения по дальнейшей эксплуатации объекта в целом. Данный способ предоставляет возможность использования его для моделирования и прогнозирования состояния объекта в будущем.