CC BY
59
УДК: 528.482
Ю.П. Гуляев, В.С. Хорошилов СГГА, Новосибирск Ю.В. Родионова
Департамент строительства и архитектуры мэрии, Новосибирск
МЕТОДИКА ВЫЯВЛЕНИЯ ПО ГЕОДЕЗИЧЕСКИМ ДАННЫМ СТЕПЕНИ АВАРИЙНОСТИ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ И НАПРАВЛЕНИЕ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОЦЕНКИ ИХ СОСТОЯНИЯ
На примере высотного здания показана методика выявления по геодезическим данным предвестников аварийных ситуаций с помощью предложенных физико-технических параметров; намечено направление повышение эффективности оценки деформационно-прочностного состояния контролируемых инженерных объектов.
Yu.P. Gulyayev, V.S. Khoroshilov SSGA, Novosibirsk Yu.V Rodionova
Department of construction and architecture of Novosibirsk mayor’s office, Novosibirsk
METHODS OF DETERMINING HIGH RISES SAFETY DEGREE AND IMPROVEMENT OF THEIR STATE ESTIMATION EFFICIENCY ON THE BASIS OF GEODETIC DATA
By the example of the high rise the authors present the methods for predicting accidents by means of the offered physical-and- technical parameters on the basis of the geodetic data. The ways of improving the efficiency of deformation-resistance state estimation of the engineering structures under study are offered.
Актуальность геодезической оценки деформационно-прочностного состояния зданий и других сооружений бесспорна. Она возрастает в условиях точечной застройки городов высотными зданиями. При правильно организованном пространственно-временном геодезическом контроле за изменением состояния здания результаты наблюдений объективно отражают в количественной форме последствия сложного взаимодействия конструкции с его грунтовым основанием и внешней средой.
Существующая методика оценки близости состояния здания к предельному по деформациям и по несущей способности базируется на сравнении измеренных геодезическими методами прогибов и кренов несущих конструкций с их нормативно допустимыми значениями. При этом критерии
предельно допустимых значений прогибов и кренов являются обобщенными, полученными расчетными способами безотносительно конкретных типов зданий. Кроме того, нормативно предусматривается оценивать безопасность развития процесса осадки фундаментов в эксплуатационный период по характеру изменений во времени её средней величины и средней скорости. Если эти параметры изменяются равномерно, без скачков, то можно считать, что процесс осадки развивается нормально и не вызывает опасений возникновения аварийных ситуаций.
Идея введения других параметров для разработки методики выявления по геодезическим данным степени аварийности зданий базируется на известном подходе к проектным расчетам оснований зданий по деформациям способом предельно допустимой средней осадки. Сущность способа заключается в том, что в результате опыта геодезических наблюдений за осадкой различных типов зданий в разных условиях была выявлена закономерность пропорционального роста во времени величины средней осадки и её неравномерности. Неравномерность осадки фундамента, представляющая деформацию грунтового основания, вызывает большинство видов деформаций несущих и ограждающих конструкций каждого здания.
В качестве физико-технического параметра, отражающего соотношение между неравномерностью осадки и её средней величиной, нами предложено использовать коэффициент вариации осадки, представляющий в каждом цикле геодезических наблюдений отношение стандарта осадки к её средней величине
[1]. Стандарт осадки, т.е. её среднеквадратическое отклонение, рассматривается здесь как мера неравномерности осадки. Для объективной и точной оценки деформационно-прочностного состояния здания по коэффициентам вариации должна быть обеспечена необходимая пространственно-временная достаточность и измерительная точность геодезического контроля, а также однородность исходных данных. Значимость небольших по величине параметров в виде коэффициентов вариации обусловлена преобладающей детерминированной природой развития процесса осадки.
Выполненные нами исследования по результатам геодезических наблюдений за осадками фундаментов значительного ряда аварийных зданий показали, что значения коэффициента вариации осадки определённо отражают степень приближения к аварийному состоянию и его уровень. У зданий, находившихся в предельном состоянии по непригодности к нормальной эксплуатации, значения коэффициентов вариации осадки изменялись в пределах от 0,3 до 0,7, а предельному состоянию по непригодности к эксплуатации эти коэффициенты превышали величину 0,7 и были близкими к 1.
Виды аналогичных физико-технических параметров были нами расширены, наиболее эффективным из них оказался коэффициент вариации разностей значений осадки симметричных марок. Изменения этого коэффициента отражают влияние неоднородности сложения и состава грунтов основания на неравномерность осадки при условии симметричного действия нагрузки на основание и соответствующего размещения контролируемых марок по площади фундамента.
Демонстрация опыта применения разработанной методики раннего выявления времени возникновения и степени деформируемости зданий показывается нами ретроспективно по материалам геодезических наблюдений за осадкой нижней плиты коробчатого фундамента сложного архитектурного сооружения - высотного здания МГУ Материалы наблюдений, выполненных в период с 1949 г. по 1971 г., любезно предоставленны в своё время НИИоснований Госстроя СССР Гуляеву Ю.П. [1].
Использование высотного здания МГУ в качестве демонстрационного объекта связано с тем, что имело место образование волосяных трещин в стенах жесткости коробчатого фундамента. Трещины были обнаружены визуально в межцикловом интервале геодезических наблюдений продолжительностью 6,6 года, к которому перешли после ежегодного геодезического контроля в связи с формально выдержанным соблюдением нормативных критериев по изменению средней осадки и её средней скорости. Нами показано, что предлагаемая методика оценки состояния здания по коэффициентам вариации позволила бы своевременно обнаружить предвестники неблагоприятного развития процесса осадки (см. табл. и рис.).
Таблица. Значения параметров процесса осадки высотного здания МГУ
№ циклов ^ годы М х (і), мм МV(г), мм/год 1 х 0) М / (і), мм 1 / (і) М 8 (і), мм 18 (і) Периоды
2 3 4 5 0,48 1.48 2.48 3,40 8,19 18,58 39,45 46,48 17,1 10,4 20,9 7,8 0,32 0,24 0,18 0,18 1,62 3,90 6,92 8,67 1,13 0,92 0,86 0,86 1,53 2,73 3,07 2,67 0,89 0,56 0,45 0,61 Строительный
6 4,52 49,52 2,8 0,18 9,43 0,86 2,33 0,66
7 5,48 51,16 1,6 0,18 10,01 0,87 2,80 0,65
8 6,48 51,58 0,4 0,19 10,33 0,86 2,80 0,70
9 13,07 56,68 0,8 0,20 12,09 0,86 3,33 0,55 Эксплуатацио
10 16,80 61,29 1,2 0,19 12,75 0,86 3,40 0,48 нный
11 19,79 63,87 0,9 0,19 12,87 0,86 3,80 0,47
12 22,76 68,22 1,4 0,18 12,90 0,86 3,87 0,50
прогноз 50 99,5 0,04 0,13 12,14 0,97 5,60 0,34
5, (п
12
Мій *
о
цггктгы 6 8 9
12
Рис. График изменения во времени параметров осадки здания МГУ
В таблице представлены изменения параметров осадки высотного здания МГУ, а на рисунке - их график. Параметры вычислялись по модулю значений осадки 31 марки, которые были заложены преимущественно в центральной части нижней плиты фундамента, наиболее подверженной деформациям от неравномерно сосредоточенной нагрузки. Результаты 12 циклов высокоточных геодезических наблюдений за осадкой, охватывают период 22,8 лет, считая от завершения бетонирования плиты фундамента. Представлены традиционно контролируемые параметры средней осадки Мх (і), средней скорости осадки М(г) , обобщенной характеристики прогиба фундаментной плиты м7 (і) и введённые нами параметры - коэффициент вариации осадки V (і) и коэффициент вариации разностей значений осадки симметричных марок V (і). Здесь через і обозначено текущее время, через г - межцикловые интервалы времени. Масштаб графиков различен для каждого из параметров, чтобы нагляднее отражались особенности их изменения.
Плавное возрастание значений средней осадки и снижение её средней скорости в период после завершения строительства до 8-го цикла включительно позволили в соответствии с нормативными требованиями прекратить ежегодные геодезические наблюдения за осадкой. Значение обобщённой характеристики прогиба фундаментной плиты уменьшалось, что согласуется с теоретическими положениями. Геодезические наблюдения были возобновлены лишь через 6,6 года в связи с обнаружением трещин. Очевидно, что традиционные нормативные критерии не позволили выявить предвестники трещинообразования.
Выявлено, что коэффициент вариации разностей значений осадки симметричных марок возрастает сразу после окончания основной части строительного периода. Это отражает имевшееся неблагоприятное влияние
неоднородности грунтов основания на развитие деформационных процессов в эксплуатационный период. Возрастание коэффициента вариации осадки между 7 и 8 циклами наблюдений представляет собой её реакцию на проявившееся ранее влияние неоднородности грунтов, которая произошла с инерционным запаздыванием в 3,1 года. Впоследствии, после почти 7-летнего отсутствия геодезического контроля между 9 и 10 циклами, проявилось снижение коэффициента вариации осадки. Выполнив аналитическую засечку по направлениям изменений значений коэффициентов вариации осадки между циклами 7-8 и 10-9, мы установили, что максимальное значение у (і) ~ 0,21
возникло через 2,3 года после 8 цикла наблюдений и за 4,3 года до выполнения 9 цикла (на рис. показано пунктиром).
Представленный демонстрационный пример применения предлагаемой нами методики показывает, что предвестники возникшего трещинообразования можно было бы выявить по изменениям значения у (і) за 5,4 года до возникновения максимального значения коэффициента вариации у (і) и не допустить бесконтрольности наблюдений протяженностью в 6,6 года.
К рассматриваемой методике можно также отнести решения прогнозных задач, позволяющих находить ожидаемые перемещения каждой наблюдаемой деформационной марки и оценивать точность прогноза. Приводим результаты решения прогнозных задач процесса осадки высотного здания МГУ [1]. Вначале прогнозная кинематическая модель была построена по результатам наблюдений, охватывающим 6,7,8 циклы наблюдений, а контрольное прогнозирование выполнялось на 12-й цикл, т.е. с упреждением 16,3 года. Прогнозное значение максимальной осадки получилось равным 93,7 мм при её фактическом значении 93 мм и предвычисленной среднеквадратической ошибке прогноза 2,1 мм. Прогноз значения максимальной неравномерности осадки составил 42,7 мм при фактической величине 43 мм. На следующем этапе был выполнен долгосрочный прогноз, периодом основания которого служили 9,10,11,12 циклы наблюдений, а период упреждения равнялся 27 годам. Прогнозное значение максимальной осадки марки получилось равным 125,2 мм при среднеквадратической ошибке прогноза 2,3 мм. Прогноз максимальной неравномерности осадки равнялся 44,6 мм, т.е. его значение увеличилось за 27 лет на 2,3 мм. Это позволило сделать вывод об ожидаемой через 50 лет с начала строительства стабилизации неравномерности осадки высотного здания МГУ
Проведение экспертной сессии «Безопасность строительства и эксплуатации объектов», состоявшейся в г. Новосибирске в апреле 2010 года на IV открытом градостроительном форуме «Город завтра», показало остроту проблемы оценки поведения и состояния высотных зданий, влияния их осадочных воронок на окружающие здания прежней застройки. При этом обозначилось направление повышения эффективности решения этой проблемы. Основной недостаток существующей системы оценки деформационнопрочностного состояния высотных зданий заключается в разобщенности разнообразных контрольных наблюдений и обследований, выполняемых производственными и научными организациями, в отсутствии комплексного
анализа всех полученных результатов. Такое положение во многом обусловлено отсутствием персональной ответственности заказчиков и исполнителей работ, формальным перекладыванием этой ответственности друг на друга. Негативную роль играет частная заинтересованность исполнителей в освоении большинства выделенных средств только на свои работы.
По нашему мнению, в департаменте строительства и архитектуры мэрии или в МЧС следует создать координационный аналитический центр, который может потребовать от исполнителей всех работ, связанных с обеспечением надёжности, долговечности, безопасности строительства и эксплуатации инженерных объектов, предоставление копий технических и научных отчетов, сдаваемым заказчикам. Тогда появится возможность систематизации, комплексного анализа и повышения эффективности оценки деформационнопрочностного состояния контролируемых объектов.
Повышать эффективность геодезической оценки деформационнопрочностного состояния контролируемых объектов предлагается осуществлять на основе технических экспертных систем, содержащих базу данных и базу знаний, в которых заложен алгоритмический инструментарий для решения систематизационных, оптимизационных и ряда различных инженерных задач
[2]. В частности, при решении рассмотренных задач по высотным зданиям следует систематизировать исследуемые объекты по инженерно-геологическим, гидрогеологическим условиям, по типам зданий и условиям их размещения в инфраструктуре города, оптимизировать системы инструментального контроля и обследования, использовать в базе знаний рассмотренную методику оценки степени аварийности зданий и прогнозирования деформационных процессов и др.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Гуляев Ю.П. Прогнозирование деформаций сооружений на основе результатов геодезических наблюдений [Текст] / Ю.П. Гуляев. - Новосибирск: СГГА, 2008. - 256 с.
2. Хорошилов, В.С. Методология применения экспертной системы оптимального выбора методов и средств измерений для монтажа технологического оборудования [Текст] / В.С. Хорошилов. - Изв. ВУЗов «Горный журнал», № 6, 2005. - С. 23-28.
© Ю.П. Гуляев, В.С. Хорошилов, Ю.В. Родионова, 2011
