Геодезическое обследование технического состояния здания Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 528.48

ГЕОДЕЗИЧЕСКОЕ ОБСЛЕДОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЗДАНИЯ

© 2011 г. И.Г. Гайрабеков*, Ю.И. Пимшин**

грозненский государственный нефтяной "Grozny State Oil

институт Institute

"Ростовский государственный строительный **Rostov State Building

университет University

Рассмотрены вопросы технической экспертизы эксплуатируемых зданий. Предлагается при обследовании определять полную геометрию сооружения методом электронной тахеометрии, что позволяет выявить реальное напряженно-деформированное состояние сооружения и принять адекватные меры по его защите. Вводятся параметры, характеризующие однородность геометрии здания и его жесткость, определяемые по результатам геодезических измерений. Изложена общая методика предварительных и инструментальных обследований. Приведены аналитические зависимости для вычисления геометрических характеристик деформированных зданий.

Ключевые слова: обследование; методика; экспертиза; характеристика; деформация; крен; ампли-

The questions of technical expertise operative of technical expertise operative constructions are considered. The theoretical principles worked out methods determining deformed surfaces of floor, specifically surface coinciding with ground floor are set. The particular cases of deformed floor in order defections and roll are considered. The general method preliminary and instrumental investigation is performed. The analytical dependences for calculating the geometrical characteristics of deformed buildings are made.

Keywords: a survey methodology; assessment; characterization; deformation; roll; amplitude.

Во все времена, вне зависимости от политической системы и государственного строя, одной из важнейших задач жилищно-коммунального хозяйства страны являлось обеспечение надежности эксплуатируемых зданий и сооружений. Сегодня эта задача не только не утратила своей значимости, а, напротив, приобрела еще большую актуальность.

Одной из важнейших составляющих комплекса мероприятий по обеспечению эксплуатационной надежности зданий и сооружений является мониторинг их технического состояния. Техническое состояние зданий и сооружений определяется несколькими группами параметров, важнейшей из которых является группа геометрических характеристик. Рассматривая геометрические характеристики здания, выделим в свою очередь как наиболее значимые для технического состояния — деформационные.

Под деформационными характеристиками будем понимать всякое изменение геометрических параметров (угловых, линейных) здания от их начальных значений. При этом выделим две группы геометрических параметров, первая из которых характеризует пространственное положение всего здания в топоцентрической системе координат (рис. 1 а), вторая — взаимное расположение его строительных элементов (рис. 1 б).

В общем случае техническое состояние здания определяется в результате его обследования, осуществляемого в два этапа.

Первым этапом является предварительное (визуальное) обследование.

При выполнении предварительных обследований оценивается общее техническое состояние объекта. Выявляют наличие трещин и разломов. Определяют уменьшение площадок опирания строительных конструкций, взаимные сдвиги и видимые перекосы.

Рис. 1. Деформационные характеристики зданий: а — геометрические параметры здания, характеризующие его пространственное положение; б — геометрические параметры здания, характеризующие взаимное

положение его строительных конструкций

При выполнении предварительных обследований используют измерительные приборы типа рулетка, линейка, штангенциркуль, и, кроме того, в последние годы широко используют цифровые фотоаппараты.

На этом же этапе организуется мониторинг за развитием трещин и разломов. Это мероприятие организуют таким образом, что первоначально составляется схема фасадов здания. На схему фасадов наносятся трещины с сохранением их вида и направления развития. Затем измеряются длина трещины, ее глубина и максимальное раскрытие. Наблюдение за развитием трещин осуществляют путем установки маяков той или иной конструкции и периодического их контроля.

При предварительных обследованиях здания формируется приближенное представление об его техническом состоянии и представление о необходимом объеме выполнения инструментальных исследований.

На втором этапе осуществляют инструментальное обследование здания.

Основными задачами, решаемыми на этом этапе, являются:

1. Определение реального напряженно-деформированного состояния здания с формулированием заключения о возможности его эксплуатации.

2. Определение причин, следствием которых является данное напряженно-деформированное состояние здания.

3. Разработка рекомендаций и мероприятий по восстановлению эксплуатационной надежности здания и устранение или уменьшение влияния негативных факторов.

Современные методы диагностики зданий основаны и на реализации геодезических технологий, обеспечивающих определение и анализ их полной геометрии. При этом основными задачами геодезических исследований выступают:

1. Определение локальных деформаций земной поверхности района размещения здания, их вертикальных и горизонтальных составляющих векторов перемещений.

2. Определение параметров пространственной геометрии и деформаций внутренней геометрии зданий:

а) осадки фундаментов;

б) горизонтальных сдвижек здания;

в) крены здания в целом или его отдельных конструктивных элементов;

г) прямолинейность здания по заданным сечениям;

д) скручивание (закручивание) здания в целом или его частей;

е) кручение здания в целом или его частей относительно друг друга;

ж) сплошное распределение деформационных характеристик (прогибов, выгибов, перекосов, скручивания) по строительным конструкциям здания.

3. Прогнозирование изменения деформационных геометрических параметров в расчетный период.

В зависимости от типа здания в комплекс геодезических работ по определению полной геометрии исследуемого здания включаются:

а) обмеры линейно-угловых как внутренних, так и габаритных параметров здания (продольные и поперечные размеры в нижнем сечении, угловое расположение стен, высоты объекта и т. д.);

б) определение частных кренов ребер здания;

в) определение кренов стен по заданным сечениям;

г) определение прямолинейности стен в нижнем сечении;

д) определение горизонтального сдвига здания;

е) определение принадлежности исследуемых точек характерного сечения (или сечений) некоторой горизонтальной поверхности, приведенной к перекрытию цоколя.

Выполняется комплекс работ по формированию цифровой (математической) модели в единой топоцентрической системе координат реальной формы здания.

В результате обработки полученной информации определяют:

— комплексные геометрические параметры здания;

— общие геометрические характеристики;

— частные геометрические характеристики.

К комплексным геометрическим параметрам

относятся:

1. Коэффициент жесткости Кж (пластичности) сооружения.

Коэффициент жесткости является основным классифицирующим параметром для зданий по их типу и, как следствие, определяет группы соответствующих допустимых величин деформаций как отдельных строительных конструкций, так и зданий в целом.

2. Коэффициент однородности геометрии Ко здания, определяющий в общем виде изменение начальной формы здания

Ко =■

2 + 2 'хср + qycp

2 2 'хср + qycp +

ZN^i T+fX

2

УЧ

Ц%ср =( X ах)/п; яУср = X Чх)/п;

д а . = а — а ; д а . = а — а ,

^ ххг ххг ххср хуг хуг хуср'

где дх1, ду1 — частные крены строительных элементов здания.

Частные крены находим по формулам:

4х=(Хд— Хн)Нзд/(Нв -#я);

% =(У— УНЩЛНВ -Нн),

где Хв; Хн; Ув; УН Нв; НН — соответственно координаты и отметки начальной и конечной точек ребра сооружения или же линии пересечения вертикальной секущей плоскости поверхности вертикально ориентированных строительных конструкций; Нв, НН — отметки тех же точек.

3. Коэффициент устойчивости Ку здания.

Данный коэффициент определяет общую пространственную геометрию здания в топоцентри-ческой системе координат.

При У/Х > (ахср / ауср)' Ку ахср/

в случае У/Х < (а а ), К = а /У.

' ^ ххср /гуср'' у хуср'

Общие геометрические характеристики, включенные в общую геометрию здания:

1. S_„

абсолютная (общая) осадка; 5 — рав-

номерная осадка; Д 5 — неравномерная осадка; 5ср— средняя осадка; 5пр — просадка; йна6— подъем основания при набухании грунта;

2. О — абсолютный (общий) крен; 0 — угол ориентирования абсолютного крена здания; г —

относительный крен;

частные крены ре-

бер здания и его стен по заданным сечениям;

3. $ — относительный угол скручивания ребра здания; ф — угол скручивания стены здания; V — угол скручивания здания в целом; а — угол взаимного кручения частей здания друг относительно друга; р — угол кручения всего здания; I — перекосы строительных конструкций;

4. г — радиус кривизны изгибаемого участка; е (е %) — абсолютная (относительная) величина условного сжатия стен здания; п — величина раскрытия трещин (разломов).

Из вышеперечисленных параметров пространственную геометрию здания характеризуют: абсолютный (общий) крен, угол ориентирования абсолютного крена, средняя осадка, угол скручивания всего здания, угол кручения здания.

Внутреннюю геометрию характеризуют: абсолютные, равномерные и неравномерные осадки исследуемых точек здания, углы скручивания ребер здания и его отдельных частей, угол взаимного кручения частей здания друг относительно друга; абсолютное (относительное) условное сжатие стен, перекосы строительных конструкций, радиусы кривизны изгибаемого участка.

При выполнении полевых работ и обработки полученных данных используют известное правило оцифровки ребер исследуемого здания, показанное на рис. 2.

Кроме того, используют правила знаков декартовой системы координат и системы координат здания, когда параметры, увеличивающие его размеры, принимаются положительными, а

параметры, уменьшающие размеры-ными.

Главный фасад

_JÜ_

отрицатель-

2

Левый — торец 1

Т

3 у

Правый

4 торец

Д воровый фасад Рис. 2. Оцифровка ребер здания

Итоговыми материалами по определению осадок зданий согласно нормативной документации являются:

1. Схема расположения исходного геодезического обоснования.

2. Каталоги отметок высотной геодезической сети.

3. Оценка устойчивости реперов.

4. Схема размещения грунтовых реперов и осадочных марок.

5. Ведомость осадочных марок.

6. Поцикловые уравненные отметки со сравнением их между смежными циклами и с первым циклом наблюдений.

7. Плановая схема сооружения с линиями равных осадок и эпюрами осадок.

8. Графики скоростей и ускорений осадок марок.

При обработке материалов по определению осадок зданий также вычисляют уклоны и перекосы фундаментов (например, между точками 1 и 2)

/12 = ки/1и= SS2)//12.

Итоговым материалом по определению кренов здания является схема депланации (рис. 3) и параметры его фактических геометрических характеристик (таблица). Депланация — это проекция верхнего горизонтального сечения здания на нижнее сечение. Депланация строится по величинам измеренных частных кренов q , q . Кроме

х у

того, на нее наносятся абсолютные (полные) крены ребер здания или иных его строительных конструкций, вычисляемых по известной формуле

Q = ^ + qy2)1/2.

Угол ориентирования абсолютного крена в = агСё

Относительный крен

i = Q/H, где Н — высота здания.

X

/N

/ _ «»

>

Рис. 3. Схема депланации

Результаты полевых работ и вычисленные величины, заносимые в колонки 13, 14, 15, 16 таблицы осуществляют с соблюдением правила знаков здания. Затем последовательно вычисляют общий крен Qз здания и угол ф з его ориентирования.

Условное сжатие (удлинение) стены здания вычисляется как сумма кренов вертикальных сечений (у q , ,) стены здания

4 ^ Ах,у (по стороне)7

е = у q

г ^ ™х,у (по стороне)

Относительное сжатие определяется как отношение условного сжатия к габаритному продольному линейному размеру стены Ь е % = е г/Ь.

Углы скручивания ребер определяются согласно выражению

Ш А = (X Чу-¥qx)/(X2+^+X Ч+¥qy).

Скручивание стен вычисляется по формуле tg ф у = ^ + qj)/(Ьij + qyl + qy)■

Фактические геометрические характеристики здания

№ п/п Координаты Крены ребер Qs 6s £i £i% «1 Ф1 a ßi

х у Чх Ачх Чу АЧу Qi 0i

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

1 Х1 У1 Чх1 Ачх1 Чу1 Ачу1 Q1 е, i1 Qs i s 6s £1-2 £1-2% Ф1-2 af1-2)-f3-4) ßs

2 Х2 У 2 Чх2 АЧх2 Чу2 АЧу2 Q2 62 i2 £2-3 £2-3% «2 Ф2-3 af2-3)-f4-1)

3 Хз Уз Чх3 Ачхз Чуз Ачуз Q3 ез i3 £3-4 £3-4% «3 Ф3-4

4 Х4 У 4 qx4 АЧх4 чу4 АЧу4 Q4 64 i4 £4-1 £4-1% «4 Ф4-1

Ср. Чх Чу « Ф

Угол взаимного кручения частей сооружения друг относительно друга

а = ф — ф р

где ф. и ф — скручивание отдельных стен здания.

При выполнении анализа деформаций здания необходимо сопоставить направление углов скручивания ребер, стен и величин сжатия по стороне.

Угол скручивания здания вычисляется по формуле

z

ß =

n i=1

Частные геометрические характеристики. К частным геометрическим характеристикам относятся амплитуды, т. е. линейные величины, характеризующие перемещения строительных конструкций относительно смежных (рис. 4). Симметричной амплитудой называют величину, полученную при условии равенства расстояний I = I если данные значения не равны, то такую амплитуду называют несимметричной.

5,-1

i-1

i+1

Рис. 4. Схема формирования амплитуды I

Симметричная амплитуда вычисляется по формуле

А = [Цл + 4+1)/2]— 4

Несимметричная амплитуда

4 = 1(г-1)-г ' (8+-1 -8г+1) - (8. -8.+1). (1(г-1)-г + Ь-(г+1))

По величинам амплитуд вычисляют радиус изгибаемого участка, угол излома сооружения и, кроме того, совокупный анализ амплитуд дает представление о деформациях отдельных строительных конструкций и поверхностей сооружения в целом.

Радиус кривизны изгибаемого участка при 1. 1 = /+1 = I. определится

'г, = И2(г-1)-г + 42)/24 .

Для любой внутренней точки исследуемой поверхности будет получена продольная, поперечная и две диагональные амплитуды. Для точек, расположенных на границе исследуемой поверхности, будут получены амплитуды, расположенные вдоль ее габарита. Интерполируя величины однородных амплитуд (продольных, поперечных, диагональных), определяют положение линий равных деформаций. При этом интерполирование выполняется раздельно по продольным и поперечным амплитудам.

Эта работа проводится по каждой наружной стене и условной деформационной поверхности, приведенной к перекрытию цоколя. При составлении комплексной картограммы амплитуд по зданию формируют графическое отображение деформированного его состояния, выраженного линейными параметрами.

Картограммы амплитуд могут быть дополнены информацией, полученной в результате контроля горизонтальности поясов и поверхностей, совпадающих с этажными перекрытиями здания. Имея результаты нивелирования, приведенные к единой горизонтальной поверхности, выполняют регрессионный анализ локализованных зон однородных деформаций и определяют продольные и поперечные уклоны. При этом результаты нивелирования совмещают с сечениями, для которых определялись крены здания.

По результатам всего комплекса выполненных работ формируется заключение о техническом состоянии здания.

Литература

1. Бойко М. Д. Диагностика повреждений и методы восстановления эксплуатационных качеств зданий. Л., 1975. 335 с.

2. Руководство по наблюдению за деформациями оснований и фундаментов зданий и сооружений. М., 1975. 160 с.

Поступила в редакцию

12 ноября 2010 г.

Ф

l

Гайрабеков Ибрагим Геланиевич — канд. техн. наук, доцент, Грозненский государственный нефтяной институт. Тел. +7928-290-13-29. E-mail: ibragim. ggni@mail.ru

Пимшин Юрий Иванович — д-р техн. наук, профессор, Ростовский государственный строительный университет. Тел. +78632277395. E-mail: geodez@aaanet.ru

Gajrabekov Ibragim Gelanievich — Candidate of Technical Sciences, assistant professor, Grozny State Oil Institute. Tel. +7928-290-13-29. E-mail: ibragim. ggni@mail.ru

Pimshin Jury Ivanovich — Doctor of Technical Sciences, professor, Rostov State Building University. Tel. +78632277395. E-mail: geodez@aaanet.ru