Трофимов Андрей Леонидович – Эксперт ГУП «НИИМосстрой», г.Москва
Определение напряженно-деформированного состояния (НДС) несущих конструкций зданий и сооружений, как известно, является сложной и неоднозначной задачей. В первую очередь, все методы определения НДС являются косвенными и измеряют различные физические параметры, которые требуют пересчета, что означает определенную трудоемкость и временные затраты при определении НДС. Таким образом, получается, что на каждый данный момент времени отсутствует четкая картина состояния несущих конструкций здания.
В случае с таким объектом, как большепролетное спортивное сооружение, примером которого является крытый конькобежный центр в Крылатском, подобное состояние дел недопустимо, поскольку риски, возникающие при возможном неисправном состоянии несущих конструкций очень велики.
Из вышесказанного можно сделать вывод, что решением данной проблемы является создание системы мониторинга НДС, которая удовлетворяет следующим требованиям:
— автоматизация сбора данных о состоянии конструкций здания;
— компьютерная обработка данных;
— наглядное и оперативное представление результатов обработки данных мониторинга в режиме реального времени.
Система мониторинга НДС подобного типа была установлена в крытом конькобежном центре в Крылатском. Разработчиками системы мониторинга деформированного состояния (СМДС) выступили ГУП МНИИТЭП, ГУП НИИМосстрой и НПО «СОДИС». Установка системы произведена силами ООО «АльпинТех».
Принцип работы СМДС
Крытый конькобежный центр (ККЦ) в Крылатском является крупным спортивным объектом, рассчитанным на проведение спортивных соревнований, собирающих большое количество зрителей. К такому объекту предъявляются особые требования по безопасной работе несущих конструкций.
В качестве основного несущего элемента покрытия ККЦ применены радиальные деревометаллические фермы, образующие двухпролетную неразрезную систему с опиранием внутренних ферм на монолитную железобетонную опору, внешних − на монолитные железобетонные колонны по скользящим опорам.
Средней опорой для внутренних и внешних радиальных ферм является стальная кольцевая балка, подвешенная через опорные узлы к системе стальных канатных вант. Система подвески покрытия состоит из 19 вант, которые через Л-образную стальную опору, шарнирно опирающуюся на главную монолитную железобетонную опору, оттягиваются двумя цепными оттяжками передающими усилие на якорную плиту. Кольцевые балки, оттяжки, стойки сварные.
Технологически мониторинг технического состояния несущих конструкций объекта включает в себя следующие процедуры определения контролируемых параметров для несущих строительных конструкций, их элементов, соединений и узлов, подлежащих в соответствии с настоящим проектом системы мониторинга контролю их технического состояния:
Л-образные стойки. Для стоек определяют уровень усилия и крен в сторону вант. Уровни усилия Л-образных стоек определяют прямыми измерениями с помощью тензометров. Крен Л-образных стоек определяют геодезическими методами.
Цепные оттяжки. Для цепных оттяжек определяют уровень натяжения каждой оттяжки. Уровни натяжения каждой оттяжки определяют прямыми измерениями усилий с помощью тензометров.
Ванты. Для вант определяют уровень натяжения и коррозионное состояние каждой ванты. Так как ванты специально защищены от коррозии, в том числе соответствующими чехлами, то служба эксплуатации объекта должна периодически, не реже одного раза в год, проверять состояние чехлов каждой ванты.
Уровень натяжения каждой ванты в силу примененной конструкции определяется в месте крепления ванты к полукольцевой балке и соответствует усилиям в листовых растянутых элементах узлов крепления вант.
Конструкции крепления вант. Для конструкций крепления вант определяют уровни напряжений и усилий в листовых растянутых 38 элементах (щеках) 19 узлов крепления вант (серег).
Напряжения и усилия в конструкциях крепления вант определяются механическими съемными тензометрами индивидуального изготовления ТМИ-525 по ГОСТ 18957, база прибора стационарно закреплена на конструкциях.
Главная железобетонная опора. Для нее определяются: уровень осадки и крен. Уровень осадки определяется геодезическими методами. Крен железобетонной опоры определяется автоматически при осуществлении сеанса мониторинга с использованием стационарной автоматизированной системы мониторинга. При этом производится регистрация показаний (сигналов) двухканальных наклономеров, устанавливаемых стационарно в основании опоры так, что направления регистрации наклонов (отклонений от горизонтали) осуществляются вдоль двух перпендикулярных осей, смещенных на 45° для этих наклономеров; компьютерного анализа зарегистрированных сигналов и сравнения результатов измерения крена для опоры с ранее полученными значениями по соответствующим осям измерений.
Полукольцевая балка. Для нее и ее 18 составных частей определяются: напряженно-деформированное состояние и пространственные координаты, уровень колебаний при акустических воздействиях. Для определения напряженно-деформированного состояния балки производятся измерения передаточных функций между крайними точками балки, а для ее 18 составных частей производятся измерения передаточных функций между серединами составных частей балки. Для этого в указанных местах балки стационарно устанавливаются трехкомпонентные датчики измерения ускорений колебания конструкций. При осуществлении сеанса мониторинга с использованием стационарной автоматизированной системы мониторинга осуществляется импульсное воздействие вблизи одного из концов полукольцевой балки и производятся записи на всех установленных на полукольцевой балке трехкомпонентных датчиках. Такие измерения производят несколько раз с целью получения статистически достоверных данных. По этим данным строятся соответствующие передаточные функции как для балки в целом, так и для 18 ее составляющих частей. Эти передаточные функции сравниваются с ранее полученными аналогичными передаточными функциями и на основе их сравнения определяется степень изменения напряженно-деформированного состояния как балки, так и ее составных частей.
Пространственные координаты полукольцевой балки и ее составных частей определяются автоматизировано геодезическими методами с помощью тахеометров, стационарно установленных внутри здания.
Для определения уровня колебаний при акустических воздействиях осуществляется регистрация колебания 18 составляющих частей полукольцевой балки с помощью упомянутых выше трехкомпонентных датчиков.
Фермы. Для ферм определяются: напряженно-деформированное состояние, температурно-влажностный режим, коррозионное состояние металлических конструкций, уровень колебаний при акустических воздействиях. Для определения напряженно-деформированного состояния ферм используются измерения периодов и логарифмических декрементов основного тона и последующих трех обертонов собственных колебаний каждой фермы. Изменения этих величин в процессе эксплуатации свидетельствуют об изменении напряженно-деформированного состояния ферм.
Несущие железобетонные колонны. Для несущих железобетонных колон определяются: напряженно-деформированное состояние, уровень осадки; уровень неравномерности осадки (крен).
Уровень осадки и крен колон определяется геодезическими методами. Для определения напряженно-деформированного состояния колон используются измерения периодов и логарифмических декрементов основного тона собственных колебаний каждой колонны. Изменения этих величин в процессе эксплуатации свидетельствуют об изменении напряженно-деформированного состояния колонн. Измерения указанных динамических параметров осуществляются при проведении сеанса мониторинга с использованием стационарной автоматизированной системы мониторинга. Измерения осуществляют с помощью стационарно установленных на каждой колонне трехкомпонентных датчиков измерения смещений колебания конструкций (рис. 1).
Рис. 1. Сейсмометр ПРДП-СМ-1 на ж/б колонне
Комплекс мониторинга технического состояния несущих конструкций объекта представляет собой аппаратурно-программный комплекс, состоящий из персонального компьютера с математическим обеспечением, предназначенным для управления комплексом, сбора, хранения и анализа получаемой информации; аппаратуры обеспечивающей измерения контролируемых параметров конструкций, их элементов, узлов и соединений, предусмотренных проектом; системы проводной и беспроводной связи между установленной на конструкциях аппаратурой и персональным компьютером, на который осуществляется сбор всей полученной на станции информации; адаптера, осуществляющего согласование, разделение и передачу сигналов от аппаратуры в персональный компьютер.
Программное обеспечение системы мониторинга технического состояния конструкций основано на базе геоинформационных систем (ГИС). Основные подсистемы ГИС ККЦ показаны на рис.2. В качестве ядра ГИС ККЦ выделена базовая ГИС. Основной целью базовой ГИС является реализация функций, которые являются общими для всех подсистем. Все подсистемы реализуются и интегрируются на основе базовой ГИС. Такая модульная архитектура обладает большой гибкостью и устойчивостью к расширению и изменениям.
Рис. 2. Схема построения системы мониторинга
Подсистема ввода и редактирования реализуется в рамках клиентского приложения. Она предназначена для ввода новых тематических объектов системы (датчики, обнаруженные дефекты и т.п.), а также для изменения характеристик ранее добавленных объектов (изменение эксплуатационных характеристик, местоположения и т.д.; добавление связанных документов, комментариев и т.д.).
Подсистема управления внешними системами объединяет различные специализированные системы мониторинга технического состояния объекта. В настоящем проекте осуществляется подключение стационарной станции мониторинга деформационного состояния несущих конструкций (СМДС-В) и системы структурного мониторинга GeoMoS. Подсистема вызывает специализированные системы для выполнения связанных с ними операций (активация/деактивация датчиков, задание параметров мониторинга и т.п.). Вызов осуществляется в текущем контексте ГИС ККЦ (например, СМДС-В вызывается в режиме активации датчика). В рамках подсистемы управления внешними системами также предусмотрено получение результатов мониторинга от специализированных систем. В частности подсистема интеграции со стационарной станцией мониторинга деформационного состояния несущих конструкций предназначена для получения показаний датчиков (акселерометров, сейсмометров, наклономеров), полученных станцией СМДС-В. Полученные показания датчиков в дальнейшем используются для построения тематических карт и отображения результатов мониторинга на плане сооружения, а также 3D-моделирования. ГИС ККЦ читает данные о показаниях датчиков из файлов определённой структуры. Подсистема интеграции с системой автоматизированного геодезического мониторинга предназначена для получения данных из системы структурного мониторинга GeoMoS. Последняя управляет тахеометрами, установленными в здании и снаружи, собирает их показания и сохраняет в БД под управлением MS SQL Server. ГИС ККЦ получает сохранённые данные из БД системы GeoMoS и использует их для построения тематических карт, отображения результатов мониторинга на плане сооружения, а также 3D-моделирования.
Подсистема визуального и инструментального контроля предлагает ведение дефектной ведомости на основе информации, полученной при мониторинге сооружения. В дефектной ведомости регистрируются все обнаруженные дефекты, а также изменения их состояния. Реализована возможность хранения электронных документов, связанных с записями в дефектной ведомости (протоколов осмотра, заключений специалистов, фотографий и.т.п.). Все отмеченные в ведомости записи связаны с определённым расположением на плане сооружения (комната, элемент конструкции здания и т.п.). Это позволяет использовать пространственные фильтры при работе с ведомостью, формировать тематические карты по данным дефектной ведомости, планировать осмотры состояния сооружения и проведение профилактических работ.
Спецпроцессор предназначен для выполнения интегрированной обработки разнородных измерений (геодезических, динамических, геологических, напряженного деформированного состояния и др.) для определения технического состояния объекта и формирования тематических карт. Алгоритм работы спецпроцессора основан на критериях сравнения измеренных значений с допустимыми, которые устанавливаются специалистами применительно к объекту мониторинга в период адаптации (настройки) системы мониторинга.
Подсистема отображения результатов мониторинга предоставляет возможность отображения состояния объекта мониторинга на основе данных, полученных от различных датчиков и измерительных приборов, при осмотрах и в результате их обработки спецпроцессором. Возможно отображение как различных интегральных показателей, так и динамики явлений.
Подсистема 3D-моделирования обеспечивает возможность отображения на трехмерной модели здания мест и динамики развития дефектов (в том числе и скрытых), и внешних факторов (например, зон образования карстовых явлений под фундаментом здания) в режиме реального времени (рис.3).
Рис. 3. Визуальное представление результатов мониторинга
Подсистема формирования отчётов призвана помочь пользователю в подготовке отчётной документации (в том числе и заключения о техническом состоянии объекта) о состоянии объекта мониторинга. Использование ГИС позволяет включать в отчёты не только текст, таблицы, графики и диаграммы, но и фрагменты поэтажных планов с обозначением критических мест, тематически раскрашенные карты и т.п.
Таким образом, описанная система мониторинга позволяет решать поставленные выше задачи, а именно:
— Автоматический сбор данных мониторинга состояния несущих конструкций здания, а также возможность ручного ввода результатов обследований элементов конструкции;
— Компьютерная обработка результатов в режиме реального времени, позволяющая мгновенно получать данные о напряженно-деформированном состоянии;
— Наглядное и визуальное представление результатов мониторинга с возможностью формирования отчетной документации по техническому состоянию объекта.