CC BY
14
«Технологии гражданской безопасности», том 18, 2021 /127
Техника и технологии в деятельности МЧС России Equipment and technologies in the Emercom of Russia activities
УДК 699.841:699.842:69.058.8
Этапы научно-технического становления мобильного диагностического комплекса «Струна»
ISSN 1996-8493
© Технологии гражданской безопасности, 2016
Г.М. Нигметов Аннотация
Мобильный диагностический комплекс «Струна» создан в конце 90-х годов и предназначался для оперативной оценки сейсмостойкости зданий и сооружений; дальнейший опыт его применения и развития показал, что МДК больше применялся для оперативной оценки степени аварийности зданий и сооружений.
Ключевые слова: сейсмостойкость; жесткость; колебания грунтового массива; колебания зданий и сооружений; частота собственных колебаний; критерии оценки опасности обрушения зданий различного конструктивного исполнения.
Stages of Scientific and Technical Development of the Mobile Diagnostic Complex "STRING"
ISSN 1996-8493
© Civil Security Technology, 2016
G.M. Nigmetov
Abstract
The mobile diagnostic complex "String" was created in the late 90s and was intended for operational assessment of earthquake resistance of buildings and structures, further experience of its application and development showed that MDC was more used for operational assessment of the accident rate degree of buildings and structures.
Key words: seismic resistance; rigidity; soil mass vibrations; vibrations of buildings and structures; frequency of natural vibrations; criteria for assessing the collapse risk of buildings of various structural designs.
14.05.2021
1. Создание мобильного диагностического комплекса (МДК) «Струна», оценка сейсмостойкости и технического состояния по прочностным параметрам
МДК «Струна» (рис. 1) был создан по Федеральной целевой программе «Развитие Федеральной системы сейсмологических наблюдений (ФССН) и прогнозирования землетрясений на период с 1995 по 2000 год». В соответствии с замыслом программы с помощью МДК планировалось получать информацию о сейсмостойкости типовых зданий для создания баз данных в геоинформационной системе «Экстремум». При угрозе катастрофического землетрясения важно своевременно и правильно спланировать применение сил и средств для предупреждения и ликвидации возможных последствий сейсмического воздействия. В основу расчетов по оценке возможных последствий положены две величины: ускорение от сейсмической волны и сейсмостойкость здания. Для получения надежных результатов по возможным последствиям землетрясений важно знать распределение на местности сейсмического ускорения и истинную, полученную по результатам испытаний для типовых зданий, величину сейсмостойкости.
Рис. 1. МДК «Струна», вариант 2003 года
При разработке МДК авторы руководствовались следующими принципами:
метод должен быть неразрушающим;
метод должен обеспечивать быстрое получение данных о сейсмостойкости здания. Наиболее сложным и до сих пор однозначно не решенным был вопрос оценки сейсмостойкости.
Предполагалось, что сейсмическое усилие, которое может выдержать здание в к-м сечении при г'-м тоне колебаний, можно определить через выражение вида [7]:
Б л = (а^^ДТИ, С1)
где:
Б к — сейсмическая сила, действующая в к-м сечении при г -м тоне колебаний;
а — ускорение грунтового основания;
g — ускорение свободного падения;
Qk — часть массы здания, сосредоточенная в к-м сечении;
Т. — период собственных колебаний здания по г-му тону;
в(Т)п . — коэффициент динамичности и формы колебаний;
к1, к2, к— коэффициенты, учитывающие допустимую степень повреждения, особенность конструктивного решения, степень ответственности, рассеивание энергии при колебании.
Недостатками такого подхода явились: применение консольной упрощенной расчетной схемы здания; применение коэффициентов, которые назначаются экспертным путем. Оценка сейсмостойкости и прочности выполнялась на основе анализа напряженно-деформируемого состояния. Несмотря на это, с применением МДК можно было получить период собственных колебаний зданий, коэффициент динамичности. Применяя формулу (1), можно получить усилие, вызванное сейсмическим ускорением грунта, в к-м сечении здания при г-м тоне колебаний. Однако, чтобы определить выдержат ли конструкции это усилие, нужно получить
Рис. 2. Карта зонирования г. Сочи по индивидуальному сейсмическому риску, построенная на основе данных о сейсмостойкости, полученных с помощью МДК«Струна» в 1999 г.
«Технологии гражданской безопасности», том 18, 2021 (СПЕЦВЫПУСК) /129
данные о прочности, сечениях, армировании и возможных скрытых дефектах в конструкциях.
В первом варианте МДК использовались пьезоке-рамические трехкомпонентные акселерометры с чувствительными элементами в виде консолей. Данные о колебаниях зданий по осям X, Y, Ъ получались путем возбуждения здания ударами боксерской грушей. В основу анализа по оперативной оценке сейсмостойкости зданий брались международная шкала MSK-64 и экспертно-расчетные оценки специалистов [1, 2, 3].
Было установлено, что колебания, получаемые от ударов груши, требуют дополнительной кропотливой обработки и результатом обработки являются эпюры колебаний здания по 1, 2 и 3 тонам. Для обработки по одному зданию требовалось времени до 1 суток, особенно много времени уходило на спектральный анализ Фурье и построение эпюр по г-му тону колебаний.
Вывод: первый вариант МДК использовал слабочувствительные датчики, ненадежный многоблочный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с большим количеством разъемов. Для получения данных о колебаниях здания необходимо было производить удары по направлению осей в плоскости. Требовалось много времени на обработку данных. По результатам испытаний зданий получались эпюры колебаний по тонам, с помощью которых выявлялись наиболее слабые места по высоте зданий и экспертным путем оценивалась его сейсмостойкость.
2. Становление МДК «Струна», оценка аварийности зданий при чрезвычайных ситуациях природного и техногенного характера по динамическим параметрам
При ЧС природного и техногенного характера возникает задача: оперативно определить степень аварийности здания или сооружения. С помощью подхода, отработанного в 90-х - начале 2000 годов по расчету напряженно деформируемого состояния конструктивной схемы на основе данных о прочности, сечениях, армировании,
периодах колебаний и дефектах, не было возможности надежно и быстро получить данные об аварийности здания. Был реализован новый подход, в основу которого был положен анализ жесткости конструктивной системы. Разработаны критерии [4, 5, 6], с помощью которых можно было определить степень аварийности зданий различных конструктивных схем (см. табл.). Процент относительного снижения жесткости получается, как:
а/= ([л -/2)*100//2], (2)
где:
А/— процент относительного снижения жесткости сооружения;
/ — нормативное значение частоты собственных колебаний сооружения;
/— частота собственных колебаний сооружения.
В 1999 г. МДК по контракту с турецкой строительной фирмой применялся для оценки сейсмичности площадок и сейсмостойкости зданий в Республике Турция. В 2005 г. по контракту технология «Струна» применялась для оценки сейсмостойкости сооружений в Исламской Республике Иран.
В 2000 году МДК применялся для оценки сейсмичности площадок и сейсмостойкости зданий в Республике Греция. По технологии «Струна» оценивались сейсмостойкость и уязвимость зданий и сооружений в Турции, Иране, Греции, Италии, Никарагуа, Непале, Армении, Азербайджане, Казахстане, России, Германии.
При пожаре на Останкинской телебашне МДК применялся для оценки опасности возможного ее обрушения. Применялся МДК при оценке вероятности возможного прорыва плотины после катастрофической аварии на Саяно-Шушенской ГЭС. В нескольких десятках случаев специалистам ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ) приходилось принимать решение по оценке аварийности зданий после взрывов бытового газоа.
С 1 по 10 июня специалисты ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ) участвовали в обследовании на сейсмостойкость пяти зданий (три из них — исторические) в Республике Сербия.
Таблица
Процент снижения жесткости (квадрата частоты собственных колебаний сооружения) в зависимости
от категории технического состояния
Тип сооружения Процент относительного снижения жесткости сооружения при его различных состояниях (А/) слабое среднее сильное полное
Производственные сооружения с тяжелым каркасом и крановым оборудованием 60-100 т 25-50 50-62,5 62,5-75 75-100
Производственные сооружения с тяжелым каркасом и крановым оборудованием до 50 т 28,6-43 43-57 57-71,4 71,4—100
Производственные сооружения с тяжелым каркасом (металлическим или железобетонным) 28,6-43 43-57 57-71,4 71,4—100
Производственные сооружения с легким металлическим каркасом 16,7-33 33-50 50-67 67-100
Производственное сооружение кирпичное, бескаркасное 16,7-33 33-50 50-67 67-100
Кирпичное малоэтажное здание (один, два этажа) 22-33 33-55 55-78 78-100
Кирпичное многоэтажное здание (три этажа и более) 20-30 30-50 50-75 75-100
Деревянные дома 20-27 27-40 40-67 67-100
Рис. 3. МДК в современном исполнении
Выводы
Таким образом, технология «Струна» с момента ее создания в 1995 г. по настоящее время претерпела существенные изменения как в техническом, так и в научном направлении. Был реализован подход к оценке технического состояния сооружений на основе анализа динамических параметров; разработаны
Литература
1. Нигметов Г. М. и др. Мобильный диагностический комплекс по оценке технического состояния зданий, сооружений и технологических систем (области применения, состав, технология проведения работ, паспорт технического состояния объекта) // Технологии гражданской безопасности. 2004. № 2 (4). С. 24.
2. Нигметов Г. М. и др. Технология оценки устойчивости и сейсмостойкости зданий и сооружений // Технологии гражданской безопасности. 2004. № 2 (4). С. 27.
3. Нигметов Г. М. и др. Применение мобильного диагностического комплекса для любых объектов в различных природно-климатических условиях // Технологии гражданской безопасности. 2004. № 2 (4). С. 38.
Сведения об авторах
Нигметов Геннадий Максимович: к. т. н, доц., ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), в. н. с. науч.-исслед. центра. 121352, Москва, Давыдковская ул., 7. е-таИ: tagirmaks@mail.ru SPIN-код: 8578-2778.
Рис. 4. Специалисты ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ) в Международной конференции в Республике Сербия, посвященной технологии «Струна»
критерии оценки аварийности для различных типов гибких и жестких сооружений.
В будущем предлагается технологию «Струна» развивать путем совершенствования программного обеспечения, создания пакетов программ по анализу технического состояния и сейсмостойкости объектов сложной трехмерной геометрии различного конструктивного исполнения, включая композитные конструктивные схемы.
4. Нигметов Г. М., Рыбаков А. В., Савинов А. М., Нигметов Т. Г. Современные подходы к оценке опасности обрушения сооружений // Технологии гражданской безопасности. 2018, Т.15. № 2 (56). С. 26-29.
5. Нигметов Г. М., Акатьев В. А., Савинов А. М., Нигметов Т. Г. Оценка сейсмостойкости зданий динамико-геофизическим методом с учетом особенности взаимодействия сейсмической волны с системой «грунт-сооружение» // Строительная механика и расчет сооружений. 2018. Вып. 1. С. 24-30.
6. Акатьев В. А., Нигметов Г. М., Нигметов Т. Г. Влияние степени армирования железобетонной балки на амплитудно-частотные характеристики // Современные наукоемкие технологии. 2015. № 3. С. 10-14.
7. Вероятностные оценки сейсмических нагрузок на сооружения. М.: Наука, 1987.
Information about the authors
Nigmetov Gennady M.: PhD (Technical Sc.), Associate Professor, All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies, Leading Researcher, Research Center. 7, Davydkovskaya st., Moscow, 121352, Russia. e-mail: tagirmaks@mail.ru SPIN-scientific: 8578-2778.
