.

МОНИТОРИНГ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОТВЕТСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ С ПОМОЩЬЮ ТЕХНОЛОГИИ ПРОСТРАНСТВЕННО-КООРДИНАТНЫХ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ И МКЭ–АНАЛИЗА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КОНСТРУКЦИЙ

Коргин Андрей Валентинович – Директор Научно-образовательного центра
инженерных исследований и мониторинга строительных конструкций
Московского государственного строительного университета,
профессор кафедры «Испытания сооружений»,
доктор технических наук

Коргина Мария Андреевна – Старший преподаватель кафедры «Испытания
сооружений» Московского государственного строительного
университета, кандидат технических наук


Актуальность проблемы

Контроль технического состояния ответственных объектов, к которым относится большинство высотных и большепролетных зданий и сооружений, в связи с повышенными требованиями к их безопасности, а также значительным количеством аварий и отказов, имевших место в последнее время, становится обязательной процедурой периода эксплуатации объекта. Данную процедуру принято называть мониторингом технического состояния сооружения, который проводится периодически или в автоматическом режиме с помощью разнообразных инструментальных средств.

В России, и в особенности в Москве, где ведется масштабное строительство, существует повышенная необходимость такого контроля, что является печальным следствием ряда фундаментальных особенностей российского строительства. В первую очередь, это низкое качество проектирования и самого строительства, несоблюдение существующих нормативов и отсутствие ряда нормативных документов, регламентирующих строительство ответственных сооружений, недостаточный контроль над ходом строительства со стороны надзорных органов и т.д.

Как показывает опыт, мониторинг далеко не всегда способен обезопасить от возможности аварийного разрушения, особенно, когда оно носит быстротечный характер, но во многих случаях он все-таки позволяет прогнозировать приближение аварийных ситуаций и принимать соответствующие меры для их предотвращения.

Причины возникновения аварийной ситуации можно условно разделить на 4 основные группы:

  1. Внешние техногенные и природные воздействия:
  • неравномерные деформации основания;
  • динамические воздействия (ветер).
  1. Изменение плановых условий эксплуатации:
  • изменение или превышение эксплуатационных нагрузок;
  • износ и изменение свойств материалов конструкций.
  1. Технические ошибки и технологические дефекты:
  • наличие проектных ошибок;
  • несоблюдение проекта и технологические дефекты, допущенные в ходе строительства.
  1. Экстремальные воздействия:
  • пожар;
  • взрыв, террористический акт.

 

Автоматические системы контроля технического
состояния высотных и большепролетных
сооружений
 

На сегодняшний день основной перспективой развития систем мониторинга ответственных сооружений является создание профессионально разработанных постоянно действующих автоматических систем контроля технического состояния объекта. Такие системы, наряду с другим системами контроля (тепло- и водоснабжения, пожарной безопасности, климатических условий и т.п.), функционируют в автоматическом режиме с выводом информации на централизованные диспетчерские пункты в соответствии с концепцией так называемого «умного дома». Исходная информация о состоянии объекта при помощи преобразователей различного типа (линейные и угловые перемещения, усилия и напряжения и т.д.) собирается на компьютеризованных измерительных приборах в пределах локальных зон, обеспечивающих стабильность измерений. Далее, по локальным компьютерным сетям информация поступает и обрабатывается в централизованном диспетчерском пункте, своевременно выдавая предупреждение возможности возникновения аварийной ситуации.

Современный подход к вопросам безопасности высотных и большепролетных объектов требует разработки систем автоматического контроля еще на стадии проектирования с учетом основных конструктивных и функциональных особенностей сооружений, с последующей их реализацией при строительстве и эксплуатации. При этом, для более эффективного предупреждения развития аварийных ситуаций такие системы должны дополняться процессами периодического контроля физических и геометрических параметров технического состояния конструкций.

Геодезический мониторинг пространственно-координатного
положения высотных и большепролетных
зданий и сооружений
 

Сложные инженерно-геологические условия возведения сооружений в мегаполисах, воздействие различных природных и техногенных нагрузок, в первую очередь ветровые нагрузки и осадки основания – все эти факторы являются причинами развития различного рода деформаций строительных сооружений. По этой причине мониторинг деформационных процессов является важнейшей составляющей любой системы контроля технической безопасности ответственных объектов.

Методика геодезического мониторинга для ответственных сооружений должна быть разработана с учётом возможных геологических, технологических и технических причин возникновения деформаций (изучение инженерно-геологических особенностей территории застройки, расчетных величин нагрузок и деформаций), а также требований к необходимой точности измерений.

Деформации рассматриваемых объектов могут иметь сложный пространственный характер, который зачастую невозможно выявить в полном объеме в ходе традиционной вертикальной геодезической съемки. На сегодняшний день пространственные геометрические характеристики деформационных процессов могут быть определены с применением целого ряда разнообразных геодезических методов и современных приборов.

GPS-измерения 

Перспективными геодезическими средствами, используемыми для решения задачи пространственно-координатного мониторинга, являются приборы GPS-позиционирования, которые на современном этапе позволяют определять пространственные координаты точек с точностью до 1 см, что для высотных сооружений с возможными горизонтальными перемещениями порядка нескольких десятков сантиметров представляет довольно высокую точность.

Trimble 5700

Рис. 1. Фазовый 2-частотный GPS-приемник Trimble 5700

Исключение ошибок при измерениях производится при дифференциальном способе наблюдений – DGPS (Differential GPS). Измерения выполняются двумя приемниками: один устанавливается в определяемой точке – роверная станция, а другой располагается в точке с известными координатами – базовая (контрольная) станция. В режиме DGPS измеряют не абсолютные координаты первого приемника, а его положение относительно базового (вектор базы). При дифференциальном режиме съемки точность фазовых измерений достигает миллиметровой точности. Наилучшие показатели имеют фазовые двухчастотные приемники (рис. 1).

Точность прибора Trimble 5700:

– при статической съемке:

СКО в плане 5 мм + 0,5 мм/км;
СКО по высоте 5 мм + 1 мм/км;

– при кинематической съемке:

СКО в плане 10 мм + 1 мм/км;
СКО по высоте 20 мм + 1 мм/км.

С помощью GPS-систем могут быть эффективно определены динамические показатели колебаний высотных зданий от ветровых воздействий. С помощью постобработки информации определяются фоновые и резонансные компоненты смещения в направлениях по ветру и перпендикулярно ему, что дает представление о фоновом компоненте структурной реакции высотного здания.

Тахеометрическая съемка

Для периодического контроля пространственного положения объектов могут быть использованы современные электронные тахеометры, отвечающие заданным требованиям к точности измерения деформаций сооружений.

В качестве автоматизированных систем непрерывного контроля перемещений сооружений наиболее распространены на сегодня решения, представленные такими производителями как Trimble Navigation и Leica Geosystem (рис. 2).

Stancii_avtomaticheskogo_monitoringa

Рис. 2. Станции автоматического мониторинга: а – Trimble S8; б – Leica TCRP1201 R300

Безотражательные тахеометры позволяют с высокой точностью производить съемку недоступных для установки отражательных призм точек на фасадах зданиях. Возможность автоматизированных измерений обеспечивает система самонаведения приборов на специальные активные отражатели (технология Autolock). Роботизированные измерения осуществляются с помощью технологии Robotic, при этом управление прибором и сбор данных измерений осуществляются дистанционно по радиомодему.

Роботизированные системы эффективно используются для слежения за деформациями объектов, съемки движущихся объектов и т.д. В электронном тахеометре Trimble S8 (точность измерения углов 1” и расстояний 1 мм+1 мм/км), специально разработанном для мониторинга, используется технология MultiTrackTM, которая предоставляет возможность слежения как за пассивными отражателями, так и за активными на очень больших расстояниях. Программное обеспечение Trimble 4D Control считывает данные приемов из Trimble S8 в виде отдельных сеансов и указывает любое перемещение целей с течением времени. Программа настраивается для предоставления таких функций, как предупреждения о перемещении цели и оповещения.

Leica GeoMoS (Geodetic Monitoring System) – это программное обеспечение для мониторинга и анализа текущего состояния наблюдаемого объекта, которое позволяет комбинировать данные, получаемые электронными тахеометрами фирмы «Leica».

Leica GeoMoS состоит из двух основных приложений:

  • Монитор (Monitor) – приложение, работающее в режиме реального времени, ответственное за получение информации с датчиков, осуществляет сбор и обработку данных, управляет возникающими событиями.
  • Анализатор (Analyzer) – приложение, работающее в автономном режиме, предназначено для анализа, визуализации и постобработки данных.
Лазерное сканирование
Riegl-Z390i

Рис. 3. Наземный лазерный сканер Riegl-Z390i

Лазерное сканирование на сегодняшний день зарекомендовало себя как высокопроизводительная технология, которая может эффективно применяться для решения проблемы пространственно-координатного мониторинга объектов большой сложности и насыщенности. Точность измерений лазерных сканеров лежит в диапазоне от 1 до 10 мм на расстояниях до 1000 м, при этом количество измерений в секунду может составлять до 100 000 точек (рис. 3).

Характеристики прибора Riegl-Z390i:

– диапазон измерения до 400 м;
– скорость измерений до 11 000 точек/с;
– точность измерения дальности:
4 мм (одиночный импульс);
2 мм (осредненная величина);
– разрешение измерения по дальности 6 мм.

Первичным результатом получаемых данных является трехмерное облако точек, преобразуемое впоследствии с помощью специального программного обеспечения в электронную пространственную модель объекта, на основании которой определяются перемещения, и оценивается состояние сооружения по сравнению с предыдущим этапом измерений.

МКЭ–оценка технического состояния сооружений
по результатам пространственно-координатного
мониторинга
 

При контроле технического состояния ответственных объектов, подверженных воздействию неравномерных осадок основания, имеющих сложный пространственный характер, что часто имеет место в зонах строительства в условиях плотной городской застройки, а также в зонах с нестабильными инженерно-геологическими условиями используется так называемая пространственно-координатная модель (ПК-модель) объекта контроля. Модель повторяет форму сооружения, ее точки размещены в основных конструктивных узлах сооружения, в частности в узлах каркаса. В этих точках размещаются специальные отражательные марки, позволяющие фиксировать пространственные координаты в ходе лазерной тахеометрической съемки. Узлы ПК-модели с определенной точностью совпадают с узлами конечно-элементного сооружения (МКЭ-модель), которое, как правило, для новых сооружений всегда создается на этапе проектирования (рис. 4).

PK-model_i_MKE-model_ocenki_texnicheskogo_sostoyaniya_obekta_monitoringa

Рис.4. ПК-модель и МКЭ-модель оценки технического состояния объекта мониторинга

Если эксплуатационные нагрузки оставались стабильными, то изменения пространственных координат узлов ПК-модели, зафиксированные в ходе повторной тахеометрической съемки, являются следствием имевших место смещений основания. Степень влияния этих смещений на напряженно-деформированное состояние несущих конструкций объекта можно оценивать по МКЭ-модели, к которой, помимо эксплуатационных нагрузок, прикладываются «наложенные перемещения» в узлах ПК-модели. При этом отсутствие полной картины смещений основания компенсируется знанием результатов их воздействия на сооружение.

МКЭ-моделирование на предварительном этапе мониторинга позволяет определить предельные деформационные показатели, превышение которых в ходе эксплуатации будет представлять опасность для несущей способности сооружения.

Сведения об экономическом или социальном эффекте,
масштабы реализации результатов работы, перспективы
дальнейшего использования результатов, научно-технические
и технико-экономические показатели работы
 

Рассматриваемый метод оценки технического состояния ответственных зданий по результатам пространственно-координатной геодезической съемки и МКЭ-оценки напряженно-деформированного состояния конструкций позволяет разрабатывать эффективные и универсальные системы автоматического и периодического мониторинга. Такой подход повышает уровень эксплуатационной безопасности высотных и большепролетных строительных объектов и снижает риск возникновения аварийных ситуаций, что ввиду уникальности конструктивных решений, функционального назначения и массовой посещаемости рассматриваемых сооружений может сопровождаться человеческими жертвами и значительными экономическими потерями.

Реализация разработанной методики позволяет в ходе жизненного цикла сооружения обоснованно устанавливать необходимость проведения мероприятий по восстановлению нормативного технического состояния конструкций объекта мониторинга. В результате появляется возможность осуществлять текущие ремонтные работы до момента, когда вероятность отказа конструкций становится выше показателя их надежности. Это, безусловно, экономически более целесообразно, чем осуществление восстановительных работ по факту отказа конструкций.

Актуальность работы на сегодняшний день определяется повсеместным внедрением систем мониторинга для высотных и уникальных сооружений и, в то же время, недостаточным нормативно-техническим обеспечением и методической базой, регулирующей предметное содержание, состав и методику проведения работ.

Использование широкодоступного геодезического оборудования и расчетных МКЭ-комплексов позволяет использовать разработанную методику для практической реализации специализированными и проектными организациями при мониторинге ответственных строительных объектов различного назначения.

Государственная поддержка исследований 
  1. Аналитическая ведомственная целевая программа «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008)»: «Разработка математических и информационных моделей строительных конструкций, сооружений и производственных процессов для создания интегрированных строительно-технологических информационных систем автоматизации строительства и реконструкции».
  2. Грант Президента Российской Федерации по государственной поддержке молодых российских ученых – кандидатов наук (МК-2563.2009.8): «Разработка математических и информационных моделей конструкций, зданий и сооружений для создания интегрированной информационной технологии мониторинга технического состояния строительных объектов в условиях мегаполисов».

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.