Особенности диагностики технического состояния несущих конструкций высотных зданий

Высотные здания относятся к категории объектов города, аварийное состояние которых может вызвать непредсказуемые катастрофические последствия. Поэтому на каждом таком здании должна быть реализована комплексная система безопасности. Одним из важнейших элементов этой системы являются меры по предупреждению повреждения здания под воздействием природно-техногенных нагрузок: промышленной динамики, ветровых воздействий, изменений в грунтах и основаниях и др.

Важнейшей проблемой безопасной эксплуатации высотных зданий является контроль напряженно-деформированного состояния их несущих конструкций. В эксплуатируемом многофункциональном высотном здании доступ к большей части несущих конструкций существенно ограничен, поэтому возникают определенные трудности контроля состояния этих конструкций с помощью традиционных методов визуального и инструментального обследования. Кроме того, в отличие от зданий меньшей этажности, в которых деформирование несущих конструкций связано в основном с неравномерностью просадок различных частей здания, в высотных — существенное влияние на напряженно-деформированное состояние несущих конструкций оказывают наклоны и ветровые нагрузки, что создает большую рассеянность мест накопления деформационных повреждений в этих конструкциях.

Современные методы определения категории деформационного (технического) состояния конструкций зданий [1], основанные на традиционном их обследовании и успешно используемые для обычных зданий и сооружений, экономически малопригодны для высотных зданий в силу чрезмерной трудоемкости и высокой стоимости выполнения большого объема обследований.

В связи с этим для высотных зданий возникает необходимость предварительного выявления (ранней диагностики) изменений напряженно-деформированного состояния конструкций и локализации мест такого изменения с использованием других методов, не связанных с прямым доступом к несущим конструкциям и не требующих существенных финансовых и трудовых затрат для реализации. Для таких целей уже достаточно давно [2] и особенно в последние 10—15 лет используются динамические методы зондирования зданий и сооружений [3—5], основанные на измерении периодов и логарифмических декрементов собственных колебаний их несущих конструкций.

Следует отметить, что эти методы, эффективные для обычных зданий, мало пригодны для высотных. Дело в том, что с увеличением количества этажей, т. е. высоты здания, вклад изменения напряженно-деформированного состояния, какой-либо его части в величины периодов и логарифмических декрементов собственных колебаний становится все меньше и меньше. Условно говоря, если вклад напряженно-деформированного состояния одного этажа в величину периода основного тона собственных колебаний для 5-ти этажного здания составляет 1/5, то для 50-ти этажного дома он составит лишь 1/50. Для его выявления требуются более точные измерения периодов собственных колебаний здания, точность которых связана с достаточно большим количеством трудно преодолимых, ограничивающих факторов: уровнем динамического воздействия, вызывающего собственные колебания конструкций; уровнем и частотным составом динамического шума во время измерений; точностью повторной установки приборов вдоль осей здания в местах предыдущих измерений; погодными условиями во время измерений; методами выявления периодов и логарифмических декрементов колебаний из полученных записей и др. Кроме того, даже выявленные изменения в периодах и логарифмических декрементах колебаний, свидетельствуют лишь о том, что необходимо проводить традиционное обследование всего здания и определять, где и что изменилось в конструкциях и опасно ли это изменение для эксплуатации здания. Эта методика не позволяет локализовать места изменения напряженно-деформированного состояния конструкций здания.

В последнее время, особенно после трагедии на комплексе «Трансвааль-Парк», появилось много предложений по использованию для контроля технического состояния несущих конструкций зданий и сооружений автоматических станций, работающих непрерывно (круглосуточно) в режиме реального времени. Однако контроль технического состояния зданий в настоящее время нельзя осуществить автоматически, так как это состояние в соответствии с [1] определяется на основе поверочных расчетов с уточненными по результатам обследования расчетной схемой объекта и реальными прочностными характеристиками материала конструкций, что пока не поддается автоматизации. Контроль отдельных параметров ограниченного числа несущих элементов, часто мало говорит о реальном техническом состоянии здания. Режим же круглосуточного мониторинга вообще мало эффективен, а потому и не целесообразен. Действительно, обрушение сооружений может происходить по двум схемам: либо с постепенным накоплением напряжений и деформаций и последующим обрушением несущих конструкций, либо быстротечно (прогрессирующее обрушение) при возможно даже кратковременном, но существенном перегрузе важного несущего элемента конструкций, из-за разрушения которого и возможно последующее прогрессирующее обрушение.

Контроль отдельных параметров ограниченного числа несущих элементов, часто мало говорит о реальном техническом состоянии здания. Режим же круглосуточного мониторинга вообще мало эффективен, а потому и не целесообразен

При первом способе обрушения, как показывает многолетний опыт обследований и мониторинга зданий и сооружений, нет необходимости вести непрерывный контроль деформаций конструкций, достаточно его вести регулярно периодически, например один раз в год. Защитой от второго способа обрушения в настоящее время может быть только надежный расчет несущих элементов конструкций и соответствующие конструктивные мероприятия, обеспечивающие недопустимость прогрессирующего обрушения, поскольку при такой схеме обрушения не могут помочь какие либо системы контроля деформаций строительных конструкций, так как если процесс начался, то в силу его быстротечности равносильной взрыву даже предварительное обнаружение не дает возможности предпринять какие либо действия на его предотвращение или на спасение людей и оборудования.

Концепция диагностики технического состояния несущих конструкций высотных зданий

В ГУП МНИИТЭП разработана методика динамического зондирования и ранней диагностики деформационного состояния несущих конструкций, основанная на анализе изменения передаточных функций, построенных для различных по высоте участков здания. Эта методика применима и для протяженных в плане зданий, в этом случае передаточные функции строятся для различных участков здания вдоль протяженной оси.

Под передаточной функцией части здания понимается отношение компонентов спектров мощности, зарегистрированных сигналов в двух точках здания, а именно: в месте динамического воздействия, заданного, например, в виде широкополосного импульса от неупругого удара, и в месте регистрации отклика этого воздействия, прошедшего через рассматриваемую часть здания. Такая передаточная функция характеризует напряженно-деформированное состояние конструкций именно в той части здания, через которое прошел заданный широкополосный импульс.

Задаваемое динамическое воздействие должно перекрывать своим частотным диапазоном область собственных периодов колебаний конструкций исследуемой части здания, а уровень сигнала в этой частотной области должен быть выше уровня динамического шума при измерениях и не сильно отличаться по уровню при различных измерениях в процессе эксплуатации.

Измерения передаточных функций проводят для одних и тех же участков здания при одинаковых динамических нагрузках, приложенных в одних и тех же точках, в одних и тех же пунктах измерений, что обуславливается спецификой динамического поведения зданий и сооружений, как сложных динамических систем. Дело в том, что динамические характеристики зданий и их частей, в том числе и передаточные функции, зависят как от уровня прилагаемой динамической нагрузки, так и от ее частотного состава и места приложения. Кроме того, результаты измерений зависят и от места регистрации сигналов и от ориентации измерительной аппаратуры вдоль осей здания, а также от параметров окружающей среды (температуры, влажности, направленности солнечного освещения и др.), поэтому для корректности сравнения передаточных функций, полученных для одних и тех же частей здания в различные периоды эксплуатации, необходимо стабилизировать как параметры динамических воздействий, так и параметры, характеризующие процесс измерений.

Изменение передаточной функции (изменение величин коэффициентов усиления для различных частот) свидетельствует об изменении напряженно-деформированного состояния конструкций именно в этой части здания, что позволяет локализовать место такого изменения в пределах количества этажей здания между соседними точками измерения. Для высотных зданий целесообразно производить измерения через каждые пять этажей, ограничивая область локализации изменения напряженно-деформированного состояния в пределах этой этажности, и в случае выявления значительных различий в передаточных функциях, необходимо будет прибегнуть к традиционному обследованию [1] с определением степени опасности изменения напряженно-деформированного состояния конструкций и необходимости их восстановления или усиления.

Такой мониторинг изменения напряженно-деформированного состояния несущих конструкций высотных зданий следует проводить 2—3 раза в год в первые три года и один раз в год в последующие периоды эксплуатации.

Передаточная функция, полученная 19.11.2003 г. между 8 и 12 этажами 16-еи этажного жилого дома, расположенного по адресу Духовский пер., д. 16На рис. 1 представлена типичная передаточная функция, построенная по изложенной технологии для реального 16-ти этажного здания, в котором в качестве динамического возбудителя использовался лифт. На горизонтальной оси координат отложены величины частот в диапазоне возбуждаемых воздействий и пропускаемых исследуемой частью здания. Регистрируемые сигналы квантовались с частотой 200 Гц. На вертикальной оси координат отложены величины характеризующие отношения значений компонентов спектров. Вертикальные линии на рисунке отображают величины отношении значении компонентов спектров мощности зарегистрированных сигналов.

Стационарная станция диагностики технического состояния несущих конструкций высотных зданий

На основании рассмотренного метода ГУП МНИИТЭП совместно с Российской инженерной академией, ООО «Сервиспрогресс» и ЗАО «Стройтехноинновация» разработана стационарная станция мониторинга деформационного состояния строительных конструкций зданий, схема функционирования которой в симметричном здании в форме параллелепипеда представлена на рис. 2.

Станция состоит из:

  • ряда, устанавливаемых на несущих конструкциях, измерительных пунктов с датчиками для регистрации трехкомпонентных ускорений колебания конструкций, расположенных на одной прямой по высоте здания (возможна другая конфигурация в зависимости от конфигурации высотного здания) (1),
  • ряда, устанавливаемых на несущих конструкциях, измерительных пунктов с датчиками для регистрации кренов здания, рас положенных в нижнем подзем ном этаже высотного здания (2),
  • места централизованного сбора информации станции (3),
  • системы связи между измерительными пунктами и местом централизованного сбора информации (4).

Синхронная регистрация колебаний всех датчиков позволяет анализировать поведение конструкций здания при динамических воздействиях, включая ветровые

нагрузки, а раздельная регистрация прохождения задаваемого последовательно на различных этажах здания широкополосного импульса в нескольких измерительных пунктах позволяет строить и анализировать передаточные функции тех частей здания, которые расположены между этими пунктами. На станции осуществляется также контроль общего наклона здания и его частей.

Передвижная станция обследования технического состояния конструкций зданий и сооружений

Для мониторинга различных городских строительных объектов, включая высотные здания, Российской инженерной академией совместно с ГУП МНИИТЭП, ООО МП «Сервиспрогресс» и ЗАО «Стройтехноинновация» разработана передвижная станция обследования технического состояния конструкций зданий и сооружений.

Станция смонтирована на базе микроавтобуса и состоит из пяти функциональных блоков: вычислительного комплекса, блока динамических измерений, блока измерения габаритов и деформаций, блока определения прочностных свойств материалов, блока технического обслуживания, связи и подготовки фотоматериалов.

Схема расположения измерительных пунктов станции мониторинга деформационного состояния строительных конструкций зданий

  • — измерительный пункт, в котором производятся трехкомпонентные измерения ускорений;
    (1) — измерительный пункт, в котором производятся измерения наклонов здания).

На рис. З приведена блок-схема такой станции.

Вычислительный комплекс предназначен для:

  • обработки;,
  • визуализации;
  • хранения;
  • анализа информации, полученной во время измерений;
  • составления и хранения паспортов зданий и сооружений в стандартизованном формате электронного банка;
  • проведения вычислительных операций по пересчетам зданий и сооружений и их элементов при технических обследованиях объектов;
  • подготовки выходных отчетных документов.

Блок динамических измерений предназначен для измерения периода и декремента основного тона собственных колебаний объекта; измерения колебаний элементов объекта в разных уровнях для получения соответствующих передаточных функций; измерения движений грунта и элементов объекта для определения уровня и характера природно-техногенных динамических воздействий.

Блок измерений габаритов и деформаций предназначен для измерения габаритов объектов и их элементов, а также перемещений, наклонов, деформаций, возникающих как в элементах зданий и сооружений, так и в самих зданиях и сооружениях в целом.

Блок определения прочностных свойств материалов предназначен для измерения прочностных свойств строительных материалов, из которых возведены здания и сооружения и в своей основе содержит приборы для измерений с использование механических методов пластических деформаций и упругого отклика, а также акустических методов.

Блок технического обслуживания, связи и подготовки фотоматериалов предназначен для: технического обслуживания, как автотранспортного средства, так и аппаратуры и оборудования всех других блоков передвижной станции; поддержания местной связи между членами группы обследования на объекте; получения фотоматериалов об объекте, необходимых для паспортов объектов, экспертного анализа ситуации и обоснования экспертных заключений.

В соответствии с совместным распоряжением правительства Москвы и Госстроя России № 19/2195-РП от 28 ноября 2003 г. «О разработке нормативов для проектирования, строительства и эксплуатации высотных зданий» ГУП МНИИТЭП совместно с рядом научных и проектных организаций города разработал раздел по эксплуатации многофункциональных высотных зданий и комплексов, в котором сформулированы основные требования к мониторингу напряженно-деформированного состояния несущих конструкций, позволяющие обеспечить диагностику изменения напряженно-деформированного состояния конструкций на ранней стадии, локализовать места такого изменения и оперативность обследования этих участков конструкций для выяснения причин изменений, определения степени опасности таких изменений и при необходимости принятия мер по устранению выявленных негативных тенденций.

Литература

  1. СП-13-102-2003. Правила об следования несущих строи тельных конструкций зданий и сооружений. М: ФГУП ЦПП, 2003.
  2. Мартемьянов А.И., Инженерный анализ последствий землетрясений, Ташкент: ФАН, 1946.
  3. Денисов Б. Е., Дорофеев В. М., Погосян O.K., Определение динамических характеристик строительных конструкций по данным инженерно-сейсмометрических станций /Изв. АН Арм. ССР, серия технических наук, т. 35, № 6, 1982.
  4. Дорофеев В.М. Мониторинг состояния зданий и сооружений существующей застройки городов, подверженных ката строфам природно-техногенного характера /Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях, М.: ВИНИТИ, № 6, 1998.
  5. Селезнев B.C. и др. Способ определения физического со стояния зданий и сооружений, Патент РФ № 2140625, G01M7/00, 1998.

В.В. Гурьев, заместитель директора по научной работе ГУП МНИИТЭП, профессор, д.т.н.;
В.М. Дорофеев, руководитель отдела мониторинга и комплексного обследования зданий и сооружений ГУП МНИИТЭП, к. ф.-м. н.

Журнал "Уникальные и специальные технологии в строительстве" №1/2004   26.05.2005