CC BY
148
/54 Civil SecurityTechnology, Vol. 12, 2015, No. 2 (44) УДК 69.05925.728.1:528.721.221.6
Методика оперативного определения степени деформированности сооружений на основе 3D-сканирования
ISSN 1996-8493
© Технологии гражданской безопасности, 2015
А.В. Овчаренко, О.А. Медведев
Аннотация
Описана методика и даны примеры оперативного изучения состояния зданий с помощью трехмерного лазерного сканирования. Методика позволяет количественно определить деформационные параметры сооружения и сравнить их с нормативными.
Ключевые слова: трехмерное лазерное сканирование; деформационные параметры; дефармационная зона.
Method of Determining the Degree of Deformation of the Operational Structures at Based on 3D-Scanning
ISSN 1996-8493
© Civil Security Technology, 2015
A. Ovcharenko, O. Medvedev
Abstract
The technique and gives examples of operational study of the buildings with the help of three-dimensional laser scanning. The technique allows to quantify the deformation parameters of structures and compare them to the standard.
Key words: three-dimensional laser scanning; deformation parameters; defarmatsionnaya area.
По оценке специалистов [1], степень износа многих сооружений и зданий в России составляет 60 % и более. Это означает, что Россия вступает в эпоху аварий и катастроф. Для предотвращения и смягчения их последствий необходима система превентивных мер, основанная на методиках оперативной оценки состояния сооружений. Ниже предлагается одна из таких оперативных методик с использованием инструментального трехмерного сканирования.
Для 3Б-сканирования нужна аппаратура, технические характеристики которой предопределяют многие аспекты методики выявления деформаций. К числу основных характеристик аппаратуры относятся дальность действия, разрешающая способность, скорость и точность измерений [2]. Важным аспектом для такой методики является и геометрический размер обследуемого сооружения. Традиционные
методы обследования [3, 4] предусматривают комплексное визуальное изучение объектов и являются поэтому во многом субъективными.
Основными элементами инструментального обследования на основе трехмерного сканирования являются:
а) трехмерное сканирование и первичная обработка для получения метрической модели изучаемого объекта;
б) аналитическое изучение созданной 3ё-модели для обнаружения деформационных дефектов конструкции и их документирования;
в) анализ деформационных параметров и соотнесение их с нормативными и критическими значениями для получения выводов о состоянии сооружения или конструкции.
Ниже приводятся примеры, иллюстрирующие такую методику.
ПРИМЕР 1. При обследовании деформационной зоны «Автовокзал — м. Чкаловская» было выполнено трехмерное лазерное сканирование здания «ГУ Госбанка России по Свердловской области». На фото 1 показано расположение сканера на рабочей позиции. Сканирование выполнялось высокоточным сканером «FARO FOCUS3D», имеющим рабочую точность около 0,8 мм. На рис. 1 и 2 показаны виды полученного SD-облака точек.
Анализ полученной модели состоял в построении по SD-рою точек ряда горизонтальных и вертикальных сечений, а также карты отклонения стены объекта от идеальной вертикальной плоскости. Эта стена имеет многочисленные видимые трещины многолетнего развития. На фото 2 показаны эти трещины на западной стороне здания. К настоящему времени сформирована магистральная вертикальная трещина длиной около 70 % высоты здания.
Поскольку исследуемый объект имеет сложную форму
Фото 1. Расположение сканера на позиции сканирования
Рис. 1. Исходная 3D-модель объекта (вид 1), полученная с одной позиции сканирования за 8 минут
Рис. 2. Исходная 3D-модель объекта (вид 2)
с закруглениями, то в качестве поверхности, относительно которой изучалось отклонение от вертикали, была выбрана касательная к закруглению вертикальная плоскость с азимутом 0 о. На рис. 3 и 4 показаны данная карта и ее увеличенный фрагмент.
Следует указать, что здание было отремонтировано в 2011—2012 гг. Ремонт, по-видимому, носил
косметический характер, поэтому система трещин вновь проявилась в 2013 г. Это говорит о том, что процесс развития деформаций не остановился после ремонта, и для этого здания необходимы постоянный мониторинг и выявление основных причин их развития.
Измеренные смещения и вычисленные изгибные деформации (0,18/35 = 0,005 отн. ед.)
почти на порядок превосходят критические деформации для железобетона и свидетельствуют о «нару-шенности» здания.
Выводы
Измеренные деформационные смещения и вычисленные относительные деформации несущей стены здания показывают существен-
Фото 2. Система трещин несущей стены объекта
Рис. 3. Цветотоновая
карта отклонений стены от идеальной вертикальной плоскости.
Красные области — критические отклонения
Рис. 4. Отклонение стены от идеальной вертикальной плоскости. Профиль отклонений показывает наличие на стене деформационных карнизов амплитудой 6—8 см и более на высотах 10—25 м. Верхняя часть стены, начиная с 22 м, «завалена»
в сторону здания на 18 см, что превышает нормативные допуски
/56 ^И SecurityTechnology, Vol. 12, 2015, No. 2 (44)
Рис. 5. Трехмерная модель панельного дома по результатам лазерного сканирования. Вид сверху (СЗ). Видны отклонения до 5—6 см панелей 9—10 этажа от фасадной части дома
ное превышение критических величин. Объект расположен в оживленной городской зоне, рядом расположен подземный переход м. «Чкаловская». Необходимо выполнить полное регламентное обследование здания (фундамент, стены, межэтажные перекрытия и кровля) для оценки степени его износа и принятия, при необходимости, административных мер.
ПРИМЕР 2. Изучение состояния жилого панельного дома.
Было выполнено сканирование жилого 12-этажного здания. Сканирование выполнялось с трех позиций. При сшивке сканов в единую модель была достигнута точность порядка 3 мм. Несколько видов итоговой 3Э-модели представлены на рис. 5 и 6. Изучение 3Э-модели для выявления деформаций выполнялось построением ряда горизонтальных и вертикальных сечений модели, а затем, с учетом геометрических параметров и координат, определенных по этим сечениям, были построены карты отклонений и графики отклонений (рис. 7) торцевой стороны дома от идеальной вертикальной плоскости. Такая цветотоновая карта отклонений показана на рис. 8, а ее увеличенный фрагмент на рис. 9.
Анализ графиков отклонений от идеальной вертикальной плоскости показывает, что периферические края панелей оторваны от общей конструкции, а панели имеют характерную параболическую форму. Наглядно деформации стеновых панелей представлена на рис. 10 в форме трехмерных блок-диаграмм. На фото 3 — места наиболее значительного отрыва панелей от общей конструкции. На фото 4 представлена общая трещиноватость панелей, которая возникла из-за деформаций, показанных выше.
Рис. 7. Графики отклонения панелей торцевой стены дома от идеальной вертикальной плоскости (этажи 7—13)
п Рое: -7.690, 292.671
Рис. 6. Трехмерная модель (облако точек) панельного дома по результатам лазерного сканирования. Общий вид
п Роэ: -7.690, 295.760
Ргош Рое: -7.783, 287.028
То Роб: 7.622. 295.741
Панели Т(13) этажа н
То Рое: 7.772. 292.671
Панели Л2 этажа дг
...... 1Р ^ [
в: -7.746, 289.948 2.5 т 5.0 т 7.5 т 10.0 12.5 т 15.48 т То Рое: 7.697. 289.854
с^ьА^Лмы»«. Панели 11 этажа 1
п^^щ.--------------
[
То Рое: 7.941. 286.9
-------------------------------------Панели-10 этажа----------------------------V,-
]
2.5 т Б.II гг е:-7.802, 284.285 7.5ш 10.0 т 12.5 т 15.74 т То Рое: 7.828. 284.229
Л,^ Панели 9 этажа
А» ,У
в: -7.671, 281.480 То Рое: 7.772. 281.442
Панели 8 этажа
То Рое: 7.903, 2
^ -------------------- ............Панели 7 этажа . . ........л-л/-
11 Г " 1
Рис. 8. Цветотоновая карта отклонений торцевой стены панельного дома от идеальной вертикальной плоскости
Максимальные отклонения в периферических частях составляют до 8 см. На уровне 2—3 этажа и 8—9 этажа с левой стороны имеется отрыв панели от конструкции.
Рис. 9. Цветотоновая карта отклонений торцевой стены панельного дома от идеальной вертикальной плоскости (фрагмент, этажи 1—7). Красные области — отклонения стены в сторону зрителя, зеленые и голубые — от зрителя. Основные нарушения конструкции сосредоточены на внешних краях. Вероятнее всего нарушены сварные соединения панелей. Имеются деформации и отдельных панелей в центральной части
Фото 3. Отрыв торцевых панелей на уровне 9—10 этажей, вероятно из-за разрушения сварных соединений
Рис. 10. Трехмерная блок-диаграмма деформаций панелей 6—13 этажей. Наглядно видны все деформационные дефекты стены
Фото 4. Вся торцевая стена дома нарушена многочисленными трещинами, которые возникли из-за превышения критического порога деформаций
/58 Civil SecurityTechnology, Vol. 12, 2015, No. 2 (44)
Выводы
1. Трехмерное лазерное сканирование позволяет эффективно и быстро выявлять количественно деформации различных элементов сооружений.
2. Оценка изгибных деформаций стеновых панелей данного объекта дает величину 0,02 относительных единиц, что значительно превышает критические деформации для железобетона. Поскольку деформирование носит преимущественно горизонтальный из-гибный характер плоскости панели, то силы, вызвавшие такие деформации, могут быть только силами внутреннего напряжения самих панелей. Вероятнее всего, изготовление и монтаж конструкции были выполнены с технологическими нарушениями.
3. Необходимо полное регламентное обследование этого и подобных многочисленных объектов, а также их дальнейший мониторинг для оценки скорости развития процесса разрушения конструкции дома и панелей. По результатам обследования с оценкой степени износа необходимо принятие решения о восстановительном ремонте целостности конструкции.
ПРИМЕР 3. Выявление вибраций. При анализе сцен сканирования во многих случаях было обнаружено, что при наличии колебаний или вибраций объекта на картах отклонений возникает характерная интерференционная картина. По картам отклонений возможно измерение амплитуды колебаний. На рис. 11 показана одна из сцен с фиксацией вибрации панелей 12—13 этажей. Измерение амплитуды колебаний дает величину 3—5 мм.
Рис. 11. Интерференционная картина от воздействия вибраций панели
Амплитуда колебаний панели составляет 3—5 мм. Причиной колебаний может быть антенна на крыше с высокой парусностью, либо работа лифта.
Заключение
Предлагаемая методика обследования сооружений оперативна, имеет формализованный характер и дает объективный результат состояния сооружения. В первую очередь с ее помощью необходимо выполнять обследование объектов с видимыми нарушениями конструкции, а также на особо ответственных объектах. Применение ее на объектах без видимых нарушений и нового строительства позволит выявить как малые дефекты строительства, так и начальную фазу деформационного процесса, когда еще можно принять относительно дешевые превентивные меры.
Литература
1. Булатов В.Ф. Оценка технического состояния объектов промышленного и гражданского назначения при проведении ремонтных и восстановительных работ. Екатеринбург: НОУ «Перспектива», 2008. 47 с.
2. Середович В.А., Комиссаров А.В., Комиссаров Д.В., Широкова Т.А. и др. Наземное лазерное сканирование. Новосибирск: СГГА, 2009. 261 с.
3. Давидсон М.Г., Далматов Б.И. Деформации зданий и меры их предупреждения. М., Госстройиздат, 1958.
4. Овчаренко А.В., Беликов В.Т., Баландин Д.В. Угрюмов, Козлов Ю.И., Хильманович, В.М., Незнаева Е.Л., КомшиловВ.И. Методика комплексного GNSS-мониторинга высотных сооружений башенного типа // Инженерные изыскания. 2012. № 7. С. 38—45.
5. Овчаренко А.В., Беликов В.Т., Баландин Д.В. Угрюмов, Козлов Ю.И., Хильманович, В.М., Незнаева Е.Л., Комшилов В.И. Использование высокоточных GNSS-измерений и комплексного геофизического мониторинга для диагностики деформаций высотных сооружений // Мониторинг. Наука и безопасность. 2012. № 4(8). С.34—38.
6. Основные положения генерального плана города Екатеринбурга. Приложение 7. Официальный сайт Главного Управления архитектуры, градостроительства и регулирования земельных отношений. http://www.ekburg.ru/construction/, 2013 г
7. ВСН 53-8б(р). Ведомственные строительные нормы. Правила оценки физического износа жилых зданий. М.: Госстрой СССР; Госгражданстрой, 1988.
8. ВСН 57-88(р). Ведомственные строительные нормы. Положение по техническому обследованию жилых зданий. М.: Госстрой СССР; Госкомархитектуры, 1991.
9. Рекомендации по оценке надежности строительных конструкций зданий и сооружений по внешним признакам. М.: ЦНИИПромзданий, 2001.
10. СП 13-102-2003. Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений. М., 2004.
Рис. 12. График отклонений по желтой линии, показанной на рис. 11
Сведения об авторах Information about authors
Овчаренко Аркадий Васильевич: к. ф.-м. н., Институт геофизики им. Ю.П. Булашевича Уральского отделения РАН (Екатеринбург), с. н. с. 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 100. E-mail: ark-ovcharenko@yandex.ru
Медведев Олег Анатольевич: Уральский филиал ФГБУ
ВНИИ ГОЧС (ФЦ), нач. филиала.
620100, Екатеринбург, ул. Большакова, 11а.
Тел.: 8 (343) 262-48-52.
E-mail: vniipurc@mail.ru, vniipurc@gmail.com
Ovcharenko Arkady V.: Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Institute of Geophysics UB RAS (Ekaterinburg), Senior Researcher. 620016, Yekaterinburg, Amundsen str., 100. E-mail: ark-ovcharenko@yandex.ru
Medvedev Oleg A.: Ural branch of Federal Government
Budget Institution "All-Russian Research Institute for Civil
Defense and Emergencies" (Federal Center of Science and
high technology), Head of the Branch.
620100, Yekaterinburg, Bolshakov str., 11a.
Tel.: 8 (343) 262-48-52.
E-mail: vniipurc@mail.ru, vniipurc@gmail.com
