МОНИТОРИНГ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ КАРКАСНЫХ ЗДАНИЙ ПОВЫШЕННОЙ ЭТАЖНОСТИ

Кузьменко Александр Павлович – Ведущий научный сотрудник Югорского НИИ
информационных технологий, кандидат технических наук

Сабуров Владимир Сергеевич – Ведущий инженер Института горного
дела Сибирского отделения РАН

 

---

Исследование технического состояния зданий и сооружений с помощью проведения натурных обследований является самостоятельным направлением в строительной науке. Основной задачей натурных обследований, как правило, является определение способности здания противостоять нагрузкам и усилиям от вероятных воздействий, таких как статические, ветровые и сейсмические. Современным требованиям проведения обследования, наиболее полно отвечает инженерно-сейсмометрический метод (метод случайных возмущений или метод передаточной функции), который позволяет проводить обследование без нанесения повреждений несущим и ограждающим конструкциям, в режиме реальной эксплуатации здания.

Основой данного метода является теория колебаний механических систем при случайном воздействии. В данной теории показано, что реакция на заданное динамическое воздействие и динамические характеристики механической системы однозначно определяются передаточной функцией [1] механической системы. В качестве случайного возмущения при обследованиях инженерно-сейсмометрическим методом выбран микросейсмический фон. Передаточные функции для пунктов системы наблюдения определяются относительно одного пункта наблюдения, расположенного в опорном сечении здания. Комплексная передаточная функция определяется как оптимальный фильтр Винера-Колмогорова и является функцией преобразования сигнала, зарегистрированного в опорном пункте, в сигнал в пункте наблюдения. Поэтому при неизменности технического состояния здания на период обследования передаточная функция не зависит от начального времени регистрации колебаний. Это свойство передаточной функции позволяет проводить обследование здания с помощью нескольких датчиков, последовательно измеряя колебания в пунктах наблюдения, максимально приближённых к узлам сопряжения несущих конструкций.

Метод позволяет определять основные динамические характеристики строительных конструкций зданий и сооружений (частоты и формы собственных колебаний, декременты на частотах форм и т.п.) и по изменению этих характеристик во времени осуществлять мониторинг их технического состояния [2].

Современное строительство в основном характеризуется возведением каркасных зданий повышенной этажности, поэтому в качестве примера приведём результаты обследований двух каркасных 16-этажных зданий (г.Новосибирск). Обследования зданий были проведены в рамках договора по обеспечению контроля строительства зданий повышенной этажности.

Здания выполнены по одной конструктивной схеме, отличия состоят в том, что в первом здании (№1) использованы железобетонные диафрагмы жёсткости и фундаментами являются свайные ростверки, выполненные на буронабивных сваях, упирающихся в скальное основание, во втором (№2) использованы сборные стальные диафрагмы, а фундаментами являются свайные ростверки, выполненные на стандартных погружных (забивных) сваях-стойках.

Регистрация колебаний зданий осуществлялась с помощью трёх трехкомпонентных сейсмических датчиков – двух перемещаемых и одного опорного, расположенного в опорном сечении здания (конструкции нулевого цикла). Положение опорного датчика оставалось неизменным в течение проведения обследования. На каждом этаже проводились измерения в 16 пунктах по числу колонн в одном ряду каркаса.

Определение значений частот собственных колебаний проводилось на основе анализа спектров ускорений, когерентности и передаточной функции, вычисленных по записям колебаний в пунктах наблюдения, а также спектра коэффициента бегучести волны. Анализ спектров проводился с использованием алгоритма, позволяющего определять частоты колебаний, соответствующие условиям временно-пространственного резонанса. Значения собственных частот колебаний в основных осях зданий приведены в табл.1 и 2.

Идентификация номера форм собственных колебаний зданий производилась по виду (конфигурации) эпюр, соответствующих максимальному отклонению (синфазная форма) здания от положения равновесия (рис. 1).

По полученным частотам собственных поперечных колебаний вычислены интегральные упругие характеристики несущих конструкций зданий. При этом в качестве замещающей модели использовалась модель изгибно-сдвиговых колебаний консольной балки, упруго закреплённой в опорном сечении [3]. Поскольку в результате обследования определены значения только трёх частот собственных форм поперечных колебаний, были вычислены жёсткость сечения изгибу EI, сдвигу GFk¢ и жёсткость основания повороту K_j. В результате решения системы уравнений, каждое из которых соответствует частотному уравнению изгибно-сдвиговых колебаний консольной балки, упруго закреплённой в опорном сечении, записанных относительно первых трёх частот собственных поперечных колебаний, были получены упругие характеристики несущих конструкций и оснований зданий (табл.3). Расчёт упругих характеристик зданий производился также методом наименьших квадратов с использованием эпюр первой формы собственных колебаний. В результате расчёта были получены те же значения заменяющих жесткостей.

Эпюры собственных форм замещающей модели и эпюры средних смещений этажных ячеек на частотах собственных форм колебаний приведены на рис. 2. Некоторое несовпадение эпюр для второй и третьей форм собственных колебаний связано с несовпадением назначаемой (проектной) высоты зданий с фактической высотой несущих конструкций, определяющей динамические характеристики зданий.

Обследования каркасов зданий без кирпичного заполнения, показали, что значения смещений условно заменяющей модели от сосредоточенной нагрузки примерно на 10-15% меньше полученных в результате расчёта на программном комплексе SCAD при одинаковых условиях закрепления основания. Смещения замещающей модели завершённых зданий при тех же условиях уменьшились примерно в 2.6 раза, что соответствует натурным наблюдениям [4].

Необходимо также отметить, что соотношение условных жесткостей в поперечном и продольном направлениях соответствует проекту. Как видно из табл.2, замена железобетонных диафрагм на сборные стальные привела к уменьшению общей жёсткости несущих конструкций. На основании полученных данных были произведены расчёты смещений этажных ячеек при ветровой нагрузке и установлено соответствие зданий условиям строительной площадки.

Жёсткость основания вертикальному сдвигу определялась по спектру собственных частот вертикальных колебаний. Эпюры собственных форм вертикальных колебаний приведены на рис.3.

Учитывая, что для адаптации зданий при неравномерных осадках жёсткость вертикальному сдвигу несущих конструкций зданий по проекту значительно меньше жёсткости поперечному изгибу (вертикальное направление), в качестве замещающей модели использовалась модель сдвиговых колебаний балки на упругом полупространстве.

Жёсткость вертикальному сдвигу GFk¢ для первого здания составила 5,52·10⁶ тс, для второго 2,14·10⁶ тс. Коэффициент постели k_Р соответственно 53,0 и 25,6 МПа/м, что соответствует конструктивному исполнению фундаментов зданий.

Передаточная функция по определению [1] является спектром реакции на единичное импульсное воздействие, поэтому, используя обратное преобразование Фурье, можно получить реакцию здания во временной области на любое заданное воздействие и рассчитать возникающие перемещения, усилия и нагрузки (поперечная сила, изгибающий момент) в заданном сечении. В качестве примера на рис.4 показано изменение упругого прогиба конструкций лестничного колодца здания №1 при единичном импульсном воздействии, соответствующее землетрясению силой 7 баллов по шкале MSK-64.

Расчёты усилий и нагрузок с учётом крутильных форм колебаний при данном воздействии позволили оценить сейсмостойкость зданий №1 и №2 на уровне 6 баллов по шкале MSK-64.

По результатам обследований были заполнены динамические паспорта зданий с указанием основных динамических характеристик колебаний для осуществления мониторинга их технического состояния в процессе дальнейшей эксплуатации.

Обследование проводилось с помощью специализированной станции «ГЕОТОН», разработанной и изготовленной в конструкторско-технологическом институте вычислительной техники (г. Новосибирск) СО РАН. Обработка регистрационных записей произведена с использованием специализированного программного комплекса «ГЕОТОН». Программы обработки данных сейсмометрических обследований «ГЕОТОН-Т» и «ГЕОТОН-А» зарегистрированы в институте интеллектуальной собственности Российской Федерации, номера государственной регистрации №2007611653 и №2007200761 соответственно.

Метод обследования защищен патентами Российской Федерации [5,6] и апробирован более чем на 60 зданиях и сооружениях различного конструктивного исполнения, включая крупнейшие плотины России – Саяно-Шушенская ГЭС, Красноярская ГЭС и Зейская ГЭС.

 

Библиографический список

 

1. Корн Г. и Корн Т. Справочник по математике. – М., 1974.
2. Кузьменко А.П., Бортников П.Б., Сабуров В.С. Контроль технического состояния бетонных плотин по динамическим характеристикам их колебаний // Известия ВНИИГ им Б.Е. Веденеева. – 2007. –Т.248. – С. 64-76.
3. Тимошенко С.П., Янг Д.Х., Уивер У. Колебания в инженерном деле. – М.: Машиностроение, 1985.
4. Абдурашидов К.С. Натурные исследования колебаний зданий и сооружений и методы их восстановления. – Ташкент: Фан, 1974. – 214с.
5. Патент РФ № 2140625. Способ определения физического состояния зданий и сооружений / А.П. Кузьменко, В.Г. Барышев и др. Бюллетень изобретений. 1999. №30.
6. Патент РФ №2150684. Способ приведения к единому времени регистрации разновременных записей измерений / А.П. Кузьменко, В.С. Сабуров и др. Бюллетень изобретений. 2000. №16.