Блог Шаблон

---

Электронный журнал

Предотвращение аварий зданий и сооружений

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ВЫСОТНЫХ И УНИКАЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ

Проблема мониторинга несущих конструкций приобрела особенную актуальность в свете большого количества строительства высотных и уникальных объектов, а также в связи с недавними и уже, к сожалению, периодическими крупными авариями на строительных объектах. В последние годы крупные аварии, связанные с разрушением строительных конструкций, происходили ежегодно: разрушение аквапарка «Трансвааль» (г.Москва) 14 февраля 2004 г., обрушение кровли плавательного бассейна «Дельфин» (г.Чусовой Пермского края) 4 декабря 2005 г., обрушение Бауманского рынка (г.Москва) 23 февраля 2006 г., авария на Крытом конькобежном центре в Крылатском (г.Москва) 22 ноября 2007 г., обрушение перекрытий здания при выполнении строительно-монтажных работ на Староконюшном пер. (г.Москва) 10 декабря 2008 г., обрушение здания на Садовнической набережной (г.Москва) 17 июня 2009 г.

Актуальность данной проблемы и последние тенденции интенсивного строительства в России крупных строительных объектов определили необходимость создания новых элементов обеспечения конструктивной безопасности. Одним из таких новых элементов являются автоматизированные системы мониторинга деформационного состояния несущих конструкций. Необходимость создания данных систем отражена в существующей нормативно-методической базе (МГСН 4.19-05, ГОСТ 22.1.12-2005, МРДС 02-08, ТР 182-06) и учитывается при разработке новых нормативных документов и технических регламентов в области обеспечения безопасности зданий и сооружений.

Стадии создания системы мониторинга несущих конструкций

В соответствии с установленной практикой и требованиями нормативно-методических документов, система мониторинга несущих конструкций разрабатывается на стадии проектирования, устанавливается на этапе строительства и используется на этапе строительства и эксплуатации для контроля состояния несущих конструкций (рис. 1).

Рис. 1. Задачи мониторинга на разных стадиях жизненного цикла объекта

На этапе проектирования определяют модель угроз, реализация которых может вызвать ухудшение технического состояния объекта. Модель угроз разрабатывается исходя из местоположения объекта (климатических и геологических условий), конструктивных особенностей, функционального назначения.

На основании модели угроз определяют состав контролируемых параметров, правила обработки и критерии оценки технического состояния объекта.

Для определения расчетных (допустимых) значений контролируемых параметров разрабатывается математическая и компьютерная модели объекта с использованием современных средств конечно-элементного анализа (ANSYS, Лира, MicroFe и др.).

На основании состава контролируемых параметров должен быть определен конкретный состав измеряемых физических величин (деформации, колебания, давления и др.) и оборудования системы мониторинга.

На этапе строительства осуществляют установку оборудования системы мониторинга (датчики деформации, давления, температуры, вибродатчики (акселерометры, велосиметры), тахеометры, датчики акустической эмиссии). В процессе строительства осуществляют мониторинг с использованием установленного оборудования, результаты которого сравнивают с полученными значениями контролируемых параметров на основе математического моделирования. По окончании строительства должна быть проверена адекватность математической модели (при необходимости она должна быть откорректирована) и уточнены правила обработки результатов мониторинга и критерии принятия решений (при необходимости).

Методическое обеспечение построения системы мониторинга несущих конструкций

Основным вопросом при построении системы мониторинга несущих конструкций является вопрос о том, что нужно контролировать, какие параметры и элементы конструкций являются критическими и подлежащими автоматизированному (автоматическому) контролю.

Однозначного ответа на данный вопрос существовать не может, так как, как правило, любая несущая конструкция является ответственной, в любой конструкции может быть допущен или заводской брак при ее изготовлении, или дефекты при выполнении строительных работ. Контроль абсолютно всех конструкций объекта не рентабелен и не целесообразен, поэтому основной целью при разработке методики мониторинга объекта должно быть определение оптимального состава конструктивных элементов и параметров контроля, который позволит наиболее полно оценить состояние конструктивных элементов объекта.

Выбор оптимального состава конструктивных элементов и параметров контроля осуществляется экспертным путем индивидуально для каждого объекта. При этом необходимо учитывать такие факторы, как ответственность объекта, финансовые ограничения, местонахождение объекта, надежность проектных решений. Местонахождение (климатические и инженерно-геологические условия нахождения объекта) и надежность проектных решений (использование сложных нетиповых конструктивных узлов, большепролетных пролетов и консолей, неаппробированных проектных решений и материалов и т.д.) определяют потенциальные угрозы, реализация которых может повлечь ухудшение состояния конструктивных элементов или их разрушение.

В основе выбора контролируемых элементов и параметров должен лежать тщательный анализ конструктивных решений объекта, потенциальных угроз с применением результатов математического моделирования и инженерных расчетов возникновения и развития опасных факторов.

В результате данной работы должна быть сформирована табличка с указанием следующей информации: Контролируемый элемент, контролируемый параметр (K_i), расчетное значение контролируемого параметра (K^/_i), допустимое отклонение контролируемого параметра () (cм. пример в таблице).

Пример перечня контролируемых параметров и элементов для высотного здания

№ п/п	Контролируемый элемент	Контролируемый параметр (Ki)	Расчетные значения (K/i)	Допустимые отклонения (dKi)
1	Высотная секция	Собственная частота первой формы колебаний	Определить по результатам математического моделирования на стадии проектирования или научно-технического сопровождения строительства
2	Высотная секция	Максимальная амплитуда первой формы колебаний	-----//-----	-----//-----
3	Высотная секция	Эпюра первой формы колебаний	-----//-----	-----//-----
4	Часть высотной секции между этажами -2–7	Частота взаимных колебаний	------//----	-----//-----
5	Часть высотной секции между этажами 7–15	Частота взаимных колебаний	-----//-----	-----//-----
6	Часть высотной секции между осями этажами 15–23	Частота взаимных колебаний	-----//-----	-----//-----
7	Часть высотной секции между осями этажами 23–30	Частота взаимных колебаний	-----//-----	-----//-----
8	Куст свай под ядром высотной секции	Деформации в сваях	-----//-----	-----//-----
8.1	Свая №1	деформация	-----//-----	-----//-----
8.2	Свая №2	деформация	-----//-----	-----//-----
8.3	Свая №3	деформация	-----//-----	-----//-----
8.4	Свая №4	деформация	-----//-----	-----//-----
8.5	Свая №5	деформация	-----//-----	-----//-----
9	Куст свай под ядром высотной секции	Давления под пятой свай	-----//-----	-----//-----
9.1	Свая №1	Давление под пятой сваи	-----//-----	-----//-----
9.2	Свая №2	Давление под пятой сваи	-----//-----	-----//-----
9.3	Свая №3	Давление под пятой сваи	-----//-----	-----//-----
9.4	Свая №4	Давление под пятой сваи	-----//-----	-----//-----
9.5	Свая №5	Давление под пятой сваи	-----//-----	-----//-----
10	Сваи под высотной частью, размещающиеся за пределами ядер жесткости секций здания в плане	Деформации в сваях	-----//-----	-----//-----
10.1	Свая №1	Деформация	-----//-----	-----//-----
10.2	Свая №2	Деформация	-----//-----	-----//-----
10.3	Свая №3	Деформация	-----//-----	-----//-----
10.4	Свая №4	Деформация	-----//-----	-----//-----
10.5	Свая №5	Деформация	-----//-----	-----//-----
10.6	Свая №6	Деформация	-----//-----	-----//-----
10.7	Свая №7	Деформация	-----//-----	-----//-----
10.8	Свая №8	Деформация	-----//-----	-----//-----
10.9	Свая №9	Деформация	-----//-----	-----//-----
10.10	Свая №10	Деформация	-----//-----	-----//-----
11	Монолитная фундаментная плита ростверка свайно-плитного фундамента высотной части	Крен	-----//-----	-----//-----
12	Монолитная фундаментная плита ростверка свайно-плитного фундамента высотной части	Давление под плитой	-----//-----	-----//-----
13	Граница между фундаментной плитой стилобатной части и монолитной фундаментной плитой ростверка свайно-плитного фундамента высотной части	Разность деформаций в фундаментной плите стилобатной части и монолитной фундаментной плите ростверка свайно-плитного фундамента высотной части	-----//-----	-----//-----
14	Граница между фундаментной плитой стилобатной части и монолитной фундаментной плитой ростверка свайно-плитного фундамента высотной части	Разность давлений под фундаментной плитой стилобатной части и под монолитной фундаментной плитой ростверка свайно-плитного фундамента высотной части	-----//-----	-----//-----

 

Алгоритм работы системы мониторинга несущих конструкций основывается на сравнении контролируемых параметров K_i с расчетными значениями K^/_i. Диапазон допустимых значений контролируемых параметров K_i определяется как K^/_i±, где – диапазон допустимых возможных отклонений контролируемого параметра K_i. Расчетные значения K^/_i определяются на основе математического моделирования и уточняются в рамках научно-технического сопровождения строительства в соответствии с ТР 182-08 «Технические рекомендации по научно-техническому сопровождению и мониторингу строительства большепролетных, высотных и других уникальных зданий и сооружений» (Технические рекомендации разработаны ГУП «НИИМосстрой»).

В случае приближения или выхода значений контролируемого параметра K_i за пределы допустимых значений K/_i± система мониторинга несущих конструкций должна формировать соответствующие информационные сигналы о напряженно-деформированном состоянии несущих конструкции. В этом случае экспертная организация, осуществляющая научно-техническое сопровождение системы мониторинга, устанавливает причины возникновения сигнала и выдает рекомендации по проведению обследования, устранению последствий и дальнейшей эксплуатации объекта.

Типовые решения построения системы мониторинга несущих конструкций. Состав и структура

На основе нашего опыта построения систем мониторинга на различных уникальных и высотных объектах систему мониторинга несущих конструкций удобно представлять в виде следующих функциональных блоков (рис.2):

1. Первичные датчики и оборудование;

2. Системы сбора и регистрации данных;

3. Программное и математическое обеспечение.

Рис. 2. Типовой состав системы мониторинга

Первичные датчики и оборудование предназначены для регистрации различных параметров, характеризующих напряженно-деформированное состояние отдельных или группы конструкций. Датчиками регистрируются такие параметры, как наклоны, осадка, деформация, давление, пространственные координаты, частоты и колебания (ускорения, скорости), температура, влажность.

Система сбора и регистрации данных предназначена для консолидации первичных данных по результатам измерений, преобразования сигналов от датчиков в цифровой вид и хранения полученных данных.

Математическое и программное обеспечение – представляет собой интеллектуальную начинку и является ядром системы мониторинга, состоящее из следующих систем:

1. Математическая модель объекта;

2. Программный комплекс (Спецпроцессор) по комплексной обработке результатов мониторинга, оценки и прогноза технического состояния несущих конструкций;

3. Программный комплекс по управлению системой мониторинга и подготовки отчетной документации по результатам мониторинга.

Математическая модель объекта создается с целью определения расчетных значений параметров контроля системы мониторинга (например, расчетные деформации в фундаментной плите, сваях, несущих конструкциях, расчетные динамические характеристики объекта, такие как частоты и амплитуды колебаний, передаточные функции и др.). На рис.3-5 представлены некоторые результаты математического моделирования для систем мониторинга таких объектов, как здание законодательной и исполнительной власти г.Москвы в ММДЦ «Москва-Сити» и штаб квартир Siemens и АФК «Система» (г.Москва, Ленинградский пр., вл. 39), высотного здания в рамках программы «Новое кольцо Москвы» (г.Москва, Алтуфьевское шоссе, вл. 54). По нашему опыту математическая модель создается независимо от разрабатываемой конструкторами расчетной модели объекта, ввиду того, что, во-первых, модели имеют разные назначения, так как конструкторы объекта создают модель для определения и подбора конструктивных решений, а модель для мониторинга предназначена для первоначального определения контролируемых параметров и дальнейшей работы на стадии эксплуатации совместно с системой мониторинга, во вторых, независимое создание модели позволит более достоверно оценить адекватность моделей и соответствие объекта проектным решениям. Разработанные математические модели объектов для системы мониторинга уточняются по мере строительства и получения реальных показаний с датчиков. В итоге по окончании строительства математическая модель объекта мониторинга (после всех уточнений) соответствует построенному объекту и используется на этапе строительства и эксплуатации для анализа результатов мониторинга, оценки и прогноза развития дефектов и обеспечивает объективность анализа результатов мониторинга.

Рис.3. Пример результатов математического моделирования здания
законодательной и исполнительной власти г. Москвы
(ММДЦ «Москва-Сити», уч. 15)

Рис.4. Пример результатов математического моделирования
высотного здания по адресу: г.Москва, Ленинградский пр., вл. 39

Рис.5. Пример результатов математического моделирования высотного здания
по адресу: г.Москва, Алтуфьевское шоссе, вл. 54

 

Программное обеспечение системы мониторинга предназначено для:

-      управления системой мониторинга;

-      сбора и хранения информации, получаемой от датчиков и оборудования, обеспечивающих измерение контролируемых параметров;

-      обработки и анализа данных для определения технического состояния объекта;

-      настройки спецпроцессора системы мониторинга и правил работы системы по определению технического состояния зданий и сооружений в автоматическом режиме;

-      определения управляющих решений и рекомендаций по дальнейшей наиболее эффективной эксплуатации объекта;

-      интеграции системы мониторинга с другими диспетчерскими системами объекта и внешними системами городских служб.

Примеры работы специализированного программного обеспечения для системы мониторинга несущих конструкций – SODIS Building M (Разработчик: НПО СОДИС, Свидетельство Роспатента №2009612830) показаны на рис.6,а-в и 7.

Рис.6. Примеры отображения результатов мониторинга
в программном комплексе SODIS Building M

Рис.7. Пример настройки спецпроцессора
в программном комплексе SODIS Building M

 

Представленный выше состав математического и программного обеспечения системы мониторинга позволяет осуществлять совместную обработку натурных показаний системы мониторинга и сравнительный анализ с расчетными значениями, полученными в результате математического моделирования. Это позволяет не только оценить текущее состояние строительных конструкций объекта, но и спрогнозировать его будущее состояние. Так, например, разработанные коллективом НПО «СОДИС» и специалистами ГУП «НИИМосстрой» программный комплекс SODIS Building M и комплекс математических моделей на базе продукта конечно-элементного анализа ANSYS 11 позволяют определять тренды изменения контролируемых параметров технического состояния объекта (например, неравномерная осадка) на прогнозируемый временной период и оценивать с использованием компьютерного моделирования влияние прогнозируемых значений контролируемых параметров на будущее техническое состояние объекта. Так система мониторинга уже не просто сообщает эксплуатационной службе объекта о возникновении неблагоприятных факторов, но позволяет определить, например, что, если в течение пяти лет не будут предприняты никакие меры, то техническое состояние здания через пять лет будет оцениваться как неработоспособное. На рис.8 представлен пример графика, построенного системой мониторинга и показывающего прогноз технического состояния объекта.

Рис.8. Пример вывода информации о прогнозе технического
состояния объекта мониторинга

Библиографический список

1. Патент РФ на полезную модель №66525 «Система мониторинга технического состояния зданий и сооружений».
2. Евразийский патент №006970 «Способ и система для определения устойчивости зданий и сооружений».
3. Свидетельство РОСПАТЕНТА №2009612830 «Автоматизированная система мониторинга технического состояния зданий и сооружений на базе геоинформационных технологий (SODIS Building M2.5)».

<<Назад