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

Шахраманьян Андрей Михайлович – Генеральный директор НПО «СОДИС»,
заведующий отделом разработки и внедрения технологий комплексного обеспечения безопасности высотных и уникальных объектов
ГУП «НИИМосстрой», заведующий экспертным отделом по вопросам
экспертизы промышленной безопасности зданий
и сооружений ГУП «НИИМосстрой»,
кандидат технических наук

---

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).

 

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 (∆K_i) (cм. пример в таблице).

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±∆K_i, где ∆K_i – 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±∆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.

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.

 

 

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.

 

 

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.

 

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)».