МЕТОДИКА НЕПРЕРЫВНОГО АВТОМАТИЗИРОВАННОГО МОНИТОРИНГА СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПОКРЫТИЯ В ЛЕДОВОМ ДВОРЦЕ «УРАЛЬСКАЯ МОЛНИЯ»

Главинский Денис Викторович – Генеральный директор ООО «ГлавПроект»,
главный инженер проекта ЗАО «ЧелябПСК»


Одной из самых важных проблем безопасности строительных объектов является адекватная оценка напряженно-деформированного состояния несущих конструкций зданий и сооружений, а также проблемно-ориентированный мониторинг этих параметров с целью эффективного контроля технического состояния несущих конструкций. Данная проблема является актуальной в случае повышенных нагрузок на несущие конструкции, возникшие уже в ходе строительства или эксплуатации от воздействия на конструкции природных и техногенных факторов – перепадов температур, ветровых и снеговых нагрузок, вибраций, аварий, пожаров, диверсий (взрывы) и т.д. Научно-исследовательская работа выполняется с целью обеспечения безопасности людей, объектов строительства или эксплуатации для предотвращения случаев, подобных обрушению строительных конструкций Трансвааль-Парка в г. Москве, на основе интерактивного научного прогноза и анализа данных автоматизированного мониторинга (АМ), отслеживающего техническое состояние элементов и конструкций, их деформации во времени при различных нагрузках и воздействиях.

В разработке и освоении данной проблемы внесли свой вклад В.О.Чулков, И.Я. Мастуров, Г.Л. Кофф (ПО «Росстройизыскания» Министерства строительства РФ), Я.М. Айзенберг (ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко), Г.М. Нигметов (ВНИИ ГО ЧС МЧС России), В.А. Котляревский, Г.П. Тонких, Ю.С. Кунин, Г.Э. Шаблинский.

В настоящее время одной из важных проблем строительства и эксплуатации является определение технического состояния конструкций зданий и сооружений. В большинстве случаев причиной разрушений является изначально присутствующие или образовавшиеся вследствие действия различных факторов окружающей среды дефекты строительства, многие из которых рассмотрены на реальных примерах в работах Б.В. Сендерова, Ю.В. Баркова, В.А. Захарова, Ю.П. Дронова. В средствах массовой информации есть немало ссылок на примеры обрушений зданий, также имеется немало работ по данной тематике у П.А. Коновалова, А.Г. Ройтмана, что говорит о важности и актуальности проблемы. Вопросы надежности строительных конструкций с использованием вероятностных методов рассмотрены В.В. Болотиным, В.Д. Райзером, А.Р. Ржаницыным. Проблема дистанционного мониторинга, теория и практика в функциональных системах управления зданиями, а также проблема мониторинга технического состояния зданий и сооружений рассматривались в работах А.А. Волкова и А.М. Шахраманьяна. Прикладные методы статистического моделирования рассматривают в своих работах А.С. Шалыгин и Ю.И. Палагин.

Система автоматизированного мониторинга предназначена для выполнения следующих задач:

— непрерывный контроль деформаций покрытия;
— контроль воздействия температуры на несущие конструкции здания;
— обеспечение безопасной эксплуатации покрытия здания на основе автоматизированного мониторинга;
— разработка, изучение и анализ технического состояния запроектированных, вновь проектируемых, а также находящихся в стадии эксплуатации зданий и сооружений;
— оценка влияния на жесткость конструкций отдельных элементов и узлов;
— хранение полученных данных и передача их в единую диспетчерскую службу города;
— выдача хранимой информации эксплуатационным службам;
— работа системы мониторинга в автоматическом режиме.

Существующие методы обследования зданий и сооружений можно разделить на три группы – визуальные методы обследования зданий, инструментальные методы обследования зданий и инструментально-технические.

Визуальный метод проводится экспертами, которые рассматривают различные элементы зданий и сооружений (фундаменты, стены, перекрытия, покрытия, кровля), и на основе полученных визуальных данных делают соответствующие выводы и рекомендации.

В инструментальных методах различные характеристики зданий (прочность, устойчивость, сейсмостойкость), влияющих на их техническое состояние, определяются с помощью разнообразных приборов (ультразвуковые, электромагнитные). В работах Г.М. Нигметова, А.М. Шахраманьяна, З.Г. Гайфуллина, М.С. Бабусенко, М.Ю. Прошлякова приводится методика оценки сейсмостойкости и устойчивости зданий с помощью мобильного диагностического комплекса. Данная методика основана на снятии таких характеристик, как собственные частоты колебания зданий с использованием методов динамического анализа, отраженных в работах Н.А.Есениной, И.В.Ситникова, А.С. Исайкина, Г.Э. Шаблинского, Д.А. Зубкова, Г.М. Нигметова, А.М. Шахраманьяна.

Инструментально-технический метод включают в себя инструментальные и визуальные методы обследования зданий в сочетании с программными комплексами (Lira-Windows, MicroFE) для моделирования и расчета зданий с целью получения характеристик устойчивости, деформативности и прочности.

Особое внимание заслуживает информационно-коммуникационный метод. Преимущества этого метода в том, что, кроме адекватной оценки динамики, прочности и устойчивости на основе трех предыдущих методов, существует возможность не только своевременной передачи информации в единую диспетчерскую службу города о наступлении чрезвычайной ситуации, но и предупреждение случаев, которые могут быть опасны для жизни и здоровья людей. Развитие современных информационно-коммуникационных технологий способствует появлению автоматизированных решений управления зданиями и сооружениями, развитию системотехники строительства, функциональных систем строительного производства и управления строительными объектами. Это нашло отражение в работах А.А. Гусакова, В.Ф. Яковлева, П.К. Анохина. В.О. Чулкова, И.Я. Мастурова, Ш.К. Джураева.

Существует несколько вариантов возможного решения исследуемой проблемы:

1. Наличие эксплуатационной службы в здании.

2. Привлечение сторонних организаций к проведению плановых технических обследований здания.

3. Автоматический мониторинг состояния конструкций здания в непрерывном режиме.

Анализируя результаты работы эксплуатационных служб и организаций, проводящих плановые обследования с периодичностью 1 раз в несколько лет, невозможно точно спрогнозировать дальнейшее развитие событий. Этот вопрос можно легко решить при работе конструкции с использованием системы автоматизированного мониторинга на базе волоконно-оптических датчиков, т.к. наблюдение ведется непрерывно, и существует возможность своевременного предупреждения чрезвычайных ситуаций, связанных с безопасностью нахождения людей в здании.

Это нашло отражение в работе по обеспечению безопасной эксплуатации уникального, социально значимого здания с массовым пребыванием людей — Ледового Дворца «Уральская Молния», на покрытии которого установлена система АМ.

Здание построено и введено в эксплуатацию в 2004 году. Габариты здания в плане по осям колонн каркаса: длина 198,0 метров (оси 1-18), ширина 84,0 метров (оси А-Б), высота от уровня пола до низа конструкций покрытия 10,0 метров, общая высота одноэтажного здания от уровня пола до верха покрытия 19,3 метров. По продольным осям конструкции выступают за габариты здания на 4,0 метра, по торцам здания на 3,0 метра по оси 1 и на 1,5 метра по оси 18. Конструктивная схема здания – каркасная. Каркас металлический. Геометрическая неизменяемость каркаса здания обеспечивается: в поперечном направлении — жестким примыканием колонн каркаса к фундаментам и вертикальными связями по торцам (оси 1 и 15), в продольном направлении – вертикальными связями по каждому ряду колонн. Примыкание арочных ферм принято шарнирным.

Для обеспечения безопасной эксплуатации здания, учитывая уникальность сооружения, принято решение о постоянном мониторинге ледового дворца, который включает в себя осмотр элементов каркаса, контроль деформаций и прогибов конструкций, изучение напряженного состояния элементов конструкций, определение параметров внешней нагрузки на здание, температурно-влажностного режима снаружи и внутри здания.

Мониторинг позволяет вовремя обнаруживать недопустимые деформации, нарушения в эксплуатации и другие факторы, влияющие на безопасность находящихся внутри здания людей.

Для большепролетных зданий, каким является ледовый дворец, основную опасность представляет нагрузка на покрытие от снега. Последствием влияния снеговой нагрузки могут стать недопустимые деформации, прогибы ригелей, покрытия и их элементов, возникновение недопустимых напряжений в элементах каркаса. Поэтому в систему мониторинга были включены контроль уровня снеговой нагрузки, контроль деформаций каркаса и контроль напряжений в наиболее напряженных элементах конструкции. Кроме этого, будет, контролироваться температура внутри и снаружи здания, что позволяет учесть температурные деформации каркаса.

Специально для этого была разработана методика обеспечения безопасной эксплуатации металлоконструкций покрытия здания:

1. Проведение технической экспертизы проекта на здание.

2. Обследование несущих конструкций каркаса здания с оформлением исполнительных чертежей и ведомостей дефектов, в том числе выполнение геодезической съемки основных элементов каркаса здания.

3. Выполнение расчета всего каркаса по пространственной деформированной схеме с учетом обнаруженных дефектов на фактически действующие нагрузки с учетом выполненного предварительного напряжения в геометрически нелинейной постановке с использованием двух программ для расчета строительных конструкций, сертифицированных Госстандартом РФ (Lira-Windows, MicroFE).

4. Выполнение проверки элементов каркаса здания на прочность, деформативность, устойчивость, а также проверки конструктивной системы на устойчивость в целом.

5. Определение мест установки датчиков для автоматического контроля напряженно-деформированного состояния элементов металлоконструкций покрытия здания в режиме «on-line» по результатам проведенного обследования и расчета конструкций каркаса здания.

6. Разработка проекта и устройство (установка) системы АМ.

7. Устройство системы АМ на основании разработанного проекта включает в себя:

— монтаж системы автоматизированного мониторинга;
— пуско-наладочные работы системы автоматизированного мониторинга;
— сдача системы АМ в эксплуатацию.

Технические характеристики комплекса измерений деформации КИД-С (см. таблицу) позволяют измерять напряжения в конструкции, соответствующие 0,7 кг/см2.

Texnicheskie_xarakteristiki_KID-S

Помещение для автоматизированного рабочего места (компьютер) должно обеспечиваать круглосуточную работу при режиме:

— влажность – не более 70%;
— напряжённость электрического поля – не более 200 В/см.

Для КИД-С определено 34 места для установки волоконно-оптических датчиков измерения деформации, как показано на рис. 1 и 2. Датчики установлены таким образом, чтобы отслеживать наиболее нагруженные элементы покрытия. Как показывают расчеты, наиболее нагруженные элементы покрытия находятся ближе к ряду А, так как по этому ряду скапливается наибольшее количество осадков в виде снега.

Sxema_rasstanovki_datchikov_na_konstrukcii_pokrytiya_ledovoj_areny_v_plane

Рис.1. Схема расстановки датчиков на конструкции покрытия ледовой арены в плане

Sxema_rasstanovki_datchikov_na_konstrukcii_pokrytiya_ledovoj_areny

Рис.2. Схема расстановки датчиков на конструкции покрытия ледовой арены. Разрез Б-Б

Система была запущена в эксплуатацию 20 октября 2008 года. Показания датчиков представлены в виде графиков (рис. 3). Анализируя информацию, полученную за шесть месяцев работы системы АМ, можно сказать, что напряжения от снеговой нагрузки составили в среднем от 300 до 400 кг/см2 со знаком плюс, что подтверждает расчетные положения о том, что нижний пояс конструкции находится в растянутом состоянии.

Pokazaniya_KID-S

Рис.3. Показания КИД-С

Кроме этого, по характеру показаний графиков можно сказать, что конструкции здания не находятся в одном положении. Они «дышат» под воздействием температуры снаружи здания. В марте, когда снег начал таять, конструкции покрытия начали разгружаться. Датчики начали давать приращения показаний с отрицательным знаком. В связи с этим для контроля показаний датчиков был установлен дублирующий датчик на ось 12 рядом с датчиком 26ПН. Он подтвердил показания соседнего датчика.

Таким образом, можно сказать, что АМ дает полное представление о фактической работе пространственной конструкции здания ледового дворца «Уральская Молния» в зависимости от условий эксплуатации.

Библиографический список
  1. Нигметов Г.М., Шахраманьян А.М. Технология оценки сейсмостойкости и устойчивости зданий и сооружений — Безопасность жизнедеятельности. — 2001. — №12.
  2. Болотин В.В. Методы теории вероятностей и теории надежности в расчетах сооружений. – М.: Стройиздат, 1982.
  3. Есенина Н.А., Ситников И.В.. Метод определения сложных форм свободных колебаний зданий, сооружений и элементов строительных конструкций // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. – 2001. — №6.
  4. Исайкин А.С., Шаблинский Г.Э., Зубков Д.А. Совершенствования методик оценки состояния зданий и сооружений // Сборник трудов МГСУ «Современные методы инженерных изысканий в строительстве». – 2003.
  5. Чулков В.О., Мастуров И.Я., Джураев Ш.К. Антропотехника и проблемы безопасности жизнедеятельности // Интернет: новости и обозрение. – 2002. Выпуск 1. – Часть 2. — №2. – с.79-82.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

prevdis.ru © 2014 Frontier Theme