CC BY
59
УДК 001.18:504.064:614.8
С.А. Качанов д.т.н, ТМ. Нигметов к.т.н. (ФГУВНИИГОЧС (ФЦ)) МОНИТОРИНГ ТЕРРИТОРИЙ, ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ДОСТОВЕРНОСТИ РЕЗУЛЬТАТОВ ПРИ НЕЗАВИСИМОЙ ОЦЕНКЕ РИСКОВ
Kachanov S.A., Nigmetov G.M. (FGUVNIIGOChS (FC)) MONITORING OF TERRITORIES, BUILDINGS AND CONSTRUCTIONS TO RAISE RELIABILITY
OF RESULTS IN INDEPENDENT RISK EVALUATION
Точность расчётов по оценке величин рисков зависит от точности прогноза параметров опасности и точности оценки уязвимости объектов, находящихся в поле воздействия опасности. В статье рассматриваются подходы по оценке долгосрочных, среднесрочных и краткосрочных рисков, приводятся примеры. Для непрерывной краткосрочной оценки рисков и опасностей предлагается выполнять мониторинг системы «грунт — сооружение» с применением расчётно-экспериментального подхода.
Accuracy of risk volume estimation depends on accuracy of danger parameters and accuracy of object under the danger influence sensibility estimation evaluation. There are viewed approaches of long-term, mid-term and short-term risks. There are given examples. For constant short-term risk evaluation there is offered monitoring of system «ground-construction» using estimation and experimental approach.
f—
0
VO re CP ro re CP
QJ
X ^
и cu
T X
1
I T
re
Большую часть своего времени люди проводят в зданиях и сооружениях. Здания и сооружения могут подвергаться не только воздействию внешних и внутренних опасностей, но и опасности непрерывного старения конструктивных и инженерных систем. Все опасности могут привести к внезапному катастрофическому обрушению конструктивных систем или аварийному выходу инженерных систем.
Воздействие опасностей или нагрузок на здания и сооружения, приводящие к катастрофическим обрушениям, повышают индивидуальный риск для людей, находящихся в зонах воздействий полей опасностей.
Под индивидуальным риском понимается комплексная величина, показывающая отношение возможных потерь на рассматриваемой территории, здании или сооружении от воздействия возможных опасностей в рассматриваемый интервал времени к количеству людей, находящихся в зоне воздействия опасности.
Известно, что индивидуальный риск нормируется и величина нормы находится в интервале 10-4 — 10-6 1/год. Сравнивая, полученную величину индивидуального риска, с нормативными величинами можно более точно спланировать мероприятия по его снижению.
Для прогностической оценки индивидуального риска для населения при возможных опасностях в условиях застройки необходимо иметь решение следующих задач:
Первое, определение возможных видов и очагов опасностей в прогнозируемый период на рассматриваемой территории.
Второе, определение возможного поля нагрузок в эпицентраль-ной зоне возможных очагов опасностей.
Третье, определение уязвимости зданий и сооружений, находящихся в возможной зоне воздействия опасностей.
Четвёртое, определение уязвимости объектов, попадающих в поле нагрузок, степень их повреждения и возможных потерь среди населения.
Пятое, определения индивидуального риска при известных данных о потерях среди населения и количестве людей, находящихся в катастрофических зонах.
Понятно, что величину индивидуального риска невозможно точно получить без информации о параметрах опасности и уязвимости объектов. Наиболее точно величины опасностей и рисков могут быть определены с использованием мониторинговой информации.
Мониторинговая информация о параметрах объектов должна поступать непрерывно или дискретно во времени в зависимости от вида прогноза. Прогнозы бывают долгосрочные, среднесрочные и краткосрочные. При прогнозировании катастрофических обрушений зданий и сооружений получаются наиболее высокие величины рисков.
Опыт эксплуатации зданий и сооружений показывает, что большинство повреждений связаны с воздействием геологических опасностей.
Однако задачи определения возможных очагов геологических опасностей таких, как карсты, просадки, оползни и землетрясения на краткосрочный период времени считаются трудно решаемыми или не решаемыми. В Агентстве МЧС России по мониторингу и прогнозированию чрезвычайных ситуаций в научно-экспериментальном порядке с 1995 года ведётся работа по краткосрочному мониторингу и прогнозированию возможных очагов сейсмической активности территорий на основе комплексного анализа предвестниковой информации по изменению метеорологических, облачных, сейсмических, геодинамических и электромагнитных параметров. Результаты прогнозов по территории Евразии в виде зон сейсмической активности трех категорий: легкой (магнитуда М меньше либо равно 4,5); средней (М больше 4,5, но меньше 6,5); сильной ( М больше 6,5) помещались на веб-сайте Агентства с опережением на 3—7 дней.
Краткосрочные прогнозы реализовались для сильных сейсмических событий в Иране (декабрь 2003 г. в районе г. Бам, 2006 г.), северной Африке (2004 г.), Японии (2004 г.). Анализ полученной прогностической информации показал, что не реализовавшись в краткосрочный период прогнозируемые очаги могут реализоваться в среднесрочном и долгосрочном интервалах времени. Пример прогноза очага катастрофического землетрясения по территории Китая, который был дан 12.03.2007 г. и сработал через 14 месяцев — в мае 2008 года приведён на рис. 1, кружком указана зона катастрофического землетрясения в Китае.
апериод с 12.03.2007г. п
Нигметов Г.М.
гивания земной коры, что приводит к выбросу в атмосферу не только всевозможных электромагнитных частиц, аэрозолей, но и мелких пылинок, которые способствуют образованию «инверсионных» следов, как после пролёта реактивных самолётов. Было выделено несколько типов портретов облачности, которые себя проявляют перед землетрясением в зависимости от мощности готовящегося землетрясения. Также характерно перед землетрясением проявляет себя и электромагнитная активность в виде молниевых разрядов, координаты и мощность которых засекалась системой мониторинга Агентства. Молниевая активность за две недели до землетрясения растёт и за 3—5 дней перед землетрясением падает до ноля.
Характерные особенности были выделены после анализа непрерывных сейсмических записей с применением специального алгоритма, разработанного профессором Р.С. Трофимовым. Выявлено, что перед землетрясением определённым образом соотносятся низкочастотная и высокочастотная составляющие сейсмических колебаний.
Подтверждение предполагаемой гипотезы о сверхнизкочастотных колебаниях в эпицентральной и близким к ним зонах, удалось получить М.М. Маши-мову, Г.М. Нигметову, И.В. Сосунову и С.А. Саламо-нову при выполнении геодинамических наблюдений с применением высокоточных геодезических GPS приемников в районе Кавминвод. Были зарегистрированы сверхнизкочастоные колебания земной коры с периодом колебаний 1,5 часа, размах колебаний по амплитуде составлял 30 см, одновременно было зарегистрировано резкое падение атмосферного давления и изменение уровня воды в артезианских скважинах (рис. 2).
Seismic Hazard Monitoring
Рис. 1. Краткосрочный прогноз очагов повышенной сейсмической активности реализовавшийся через 14 месяцев
Многолетний анализ данных по изменению атмосферного давления показывает, что атмосферное давление является достаточно чувствительным параметром и его можно использовать для оценки сейсмической активности. Так за 7 дней до сильного землетрясения в эпицентральной зоне и её ближайших окрестностях в радиусе до 500 км наблюдаются резкие 12 часовые скачки атмосферного давления. Наиболее рельефно перед землетрясением проявляет себя изменение портрета облачности. Вероятно, перед землетрясением происходят сверхнизкочастотные подёр-
Рис. 2. Геодинамические колебания земной коры, изменение атмосферного давления и колебания уровня воды в скважинах в едином временном измерении
Этот факт подтверждает прямую связь между геодинамическими и атмосферными процессами. Многолетние данные, полученные с применением
о
VO га ср
го «
ср
и
CU т X I
X £
I
0
1 т
I
технологии «портретов» дали смелость заключить, что можно накануне катастрофического события выделять возможные очаги землетрясений и других геологических опасностей. Мониторинговая сеть, которая с помощью высокоточных геодезических спутниковых GPS приёмников позволяла каждые 20 секунд с высокой точностью порядка 10-6 — 10-8 определять расстояния между пунктами наблюдения приведена на рис. 3.
Использование высокоточных GPS приемников для геодинамического мониторинга
0 VO
га ср
го «
ср
О!
X ^
и
CU т X
1 X
£ I
0
1 т
I
Мониторинговая геодинамическая сеть для оценки сейсмической опасности на территории Кавказских Минеральных Вод
Рис. 3. Мониторинговая сеть для геодинамических измерений земной коры
Для построения возможного поля ускорений в эпицентральной зоне необходимо знать не только параметры землетрясений, но и геологические и тектонические данные. Также очень важно иметь крупномасштабную трехмерную информацию о рельефе местности. Проведённые в Агентстве исследования с анализом макросейсмических полей произошедших землетрясений показали, что преобладающую роль в формировании поля ускорений играет рельеф местности. В используемой в настоящее время в ГИС «Экстремум» модели поле ускорений формируется только с учётом влияния тектоники и региональных геологических констант, рельеф местности не учитывается. Опытные расчёты показывают, что результаты вычислений рисков без учёта рельефа местности и площади застройки могут быть существенно завышены или занижены в зависимости от рассматриваемой обстановки.
Для расчёта возможных последствий воздействия опасностей на здания и сооружения и находящихся в них людей необходимо знать уязвимость зданий и сооружений, геофизические и геологические параметры грунтового массива.
Для мониторинга уязвимости зданий и сооружений предлагается устанавливать системы мониторинга, обеспечивающих контроль жесткости и геометрии системы грунт-здание в заданных интервалах времени.
Мониторинг может быть краткосрочным, при этом производится непрерывное снятие информации о параметрах системы грунт-здание, среднесрочным при этом информация снимается один раз в 1—3 месяца и долгосрочным при этом информация снимается один раз в год.
Огромное количество случаев катастрофических обрушений зданий, происходящих в последние годы во всех странах независимо от уровня их развития, говорит об острейшей необходимости применения новейших технологий диагностики и мониторинга зданий и сооружений.
Наиболее существенным недостатком в области диагностики и мониторинга зданий является отсутствие технологий, обеспечивающих интегральную оценку системы «грунт-здание» в трехмерной динамической постановке.
Существующие подходы диагностики носят локальный, разрушающий характер и основываются, в первую очередь, на визуальном и прочностном контролях с отбором проб материала и изучением конструктивного исполнения отдельных конструктивных элементов путём вскрытия узлов, защитных слоёв и отрывкой шурфов для изучения строения фундаментов. Понятно, что производя локальный контроль, то есть концентрируясь на частностях, можно не уяснить главный механизм и причины уязвимости объекта к воздействию возможных нагрузок. Такой же локальный подход существует при проектировании зданий, то есть грунты и фундаменты рассматриваются отдельно от самого здания, нет единого подхода по расчёту системы «грунт-здание» как единой системы.
По нашему мнению, идеальной схемой диагностики уязвимости является воспроизведение на реальном объекте с реальными грунтовыми условиями воздействия проектируемых нагрузок, либо долей этих нагрузок с пропорциональным их увеличением, или уменьшением в пределах чувствительности аппаратуры. Схема постановки такого эксперимента приведена на рис. 4.
Известно, что наиболее опасными и слабо изученными нагрузками являются динамические нагрузки. В первую очередь самыми опасными для зданий из динамических нагрузок являются сейсмовзрывные нагрузки. В существующих научных подходах для идеальных сред хорошо представляются закономерности распространения энергии в пространстве и во времени в зависимости от энергии в очаге.
РЕЗУЛЬТАТОМ ПРОВЕДЕНИЯ ОБСЛЕДОВАНИЯ ЯВЛЯЕТСЯ
ИНТЕГРАЛЬНАЯ ОЦЕНКА системы »ЗДАНИЕ-ГРУНТ» ¡а КООРДИНАТА* X, У, Z. t) ПО ДИНАМИЧЕСКИМ. ГЕОМЕТРИЧЕСКИМ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИМ ПАРАМЕТРАМ
Рис. 4. Получение динамических параметров системы «грунт-здание» с использованием сейсмоимпульсной машины
На практике важно выделить весь предполагаемый перечень нагрузок с учётом влияния сред и провести правильное планирование эксперимента с точным определением мест расстановки датчиков от нагрузок до отдельных конструктивных элементов. Как можно смоделировать воздействие динамических нагрузок на здания и сооружения? Сейсмические нагрузки можно моделировать воздействием на грунтовый массив у здания и воздействием динамической нагрузки непосредственно на здание и его отдельные конструктивные элементы. Моделирование сейсмических нагрузок на грунтовый массив возможно воздействием:
1) ударами или сбрасыванием с высоты тяжелых грузов, весом от 16 кг и более (проведённые опыты показывают возможность получения информации о реакции здания при воздействии ударами на грунтовый массив). В опытах были получены четко различимые импульсы ускорений на различных этажах здания, при ударах 16 кг гирей по грунту на небольшом удалении от здания. Достоинством метода является его компактность, безопасность, возможность явного учёта влияния грунтового массива. Недостатком метода является невозможность управления параметрами нагрузки;
2) ударами или возбуждением мягким грузом (в основном производится возбуждение верхних этажей здания). Результаты проведённых опытов показывают, что даже массивные сооружения типа грунтовых плотин дают отклик на воздействие мягкого импульса. Был пример мягкого возбуждения боксерской грушей грунтовой плотины водохранилища, при котором получены четкие динамические характеристики тела плотины. Повторные испытания, выполненные на следующий год, показали изменения динамических параметров, что дало возможность установить степень износа плотины за один год. Достоинством метода является его компактность и безопасность. Недостатком — отсутствие возможности управления параметрами импульсных нагрузок;
3) динамическое возбуждение специальными управляемыми вибраторами. Принцип действия вибраторов основан на использование электрической, гидравлической и пневматической энергии, за короткое время выделяемой на объекты воздействия. Была проведена серия опытов с применением электродинамической системы «Геотон». Результаты опытов показали возможность получения реакции системы грунт-здание при воздействии импульсной установки на грунт на удалении до 100 м от сооружения. К преимуществам применения импульсных вибраторов относится возможность создания управляемого импульса, при этом может изменяться амплитуда и время воздействия импульса. К недостаткам: сложность, опасность и громоздкость оборудования.
Измерение параметров динамического воздействия производится путем расстановки высоко чувствительных датчиков ускорения, скорости и перемещения на контролируемых точках.
Наиболее сложной частью в технологии динамических испытаний является анализ полученных
данных для определения уязвимости (устойчивости) сооружения. Наиболее отработанным способом является метод сравнения, полученных динамических параметров с проектными или расчетными данными, а также получение эпюр свободных колебаний и сравнение их с расчётными эпюрами. Возможно, также применение метода сравнения динамических параметров одинаковых по конструктивному и объемно-планировочному исполнению объектов, например, однотипных зданий, однотипных конструктивных элементов. При этом важно учитывать такие факторы как: тип грунтов, срок службы, степень износа и т.д.
Наиболее сложной частью при анализе динамических параметров является вопрос получения нормативных динамических параметров здания и эффективных критериев для принятия решений. Возможны следующие способы решения:
1) экспериментальный — по результатам динамических испытаний многих однотипных зданий или конструктивных элементов выделяются основные тона свободных колебаний, декременты затуханий и выбираются средние значения, которые принимаются за нормативные;
2) инженерный — используются инженерные зависимости, полученные на основе многочисленных экспериментальных и практических исследований;
3) вероятностный — используются вероятностные модели, отражающие зависимость полученных динамических моделей на степень их повреждения при различных воздействиях динамических нагрузок;
4) расчётный — применяются нормативные одномерные модели или специальные трехмерные динамические модели, учитывающие упругие или упруго-пластические свойства среды. К сожалению, ни в одной из существующих моделей нет возможности явно учитывать влияние грунтового массива. Наибольшее распространение получили модели типа «СКАД», «ЛИРА» и «АНСИЗ».
Понятно, что представить и решить задачу в едином виде, как систему «грунт-здание», довольно трудно. Для решения трехмерной динамической нестационарной задачи при воздействии известной сейсмоволновой нагрузки на систему «грунт-здание», предлагается использовать, разработанный Г.М. Ниг-метовым пакет программ «Dipol». В основу пакета положен созданный автором алгоритм с применением метода граничных интегральных уравнений с использованием запаздывающих потенциалов Кирхгофа. Для решения волновой задачи необходимо описать закон изменения сейсмической нагрузки от очага до основания объекта; представить трехмерную поверхность грунтового массива, где расположен объект с учётом его массы и геометрии и свойств среды. По результатам расчётов получаются динамические и напряженно-деформационные параметры системы грунт-здание. Результаты расчётов можно использовать для сравнения с натурными, полученными из опытов. Причём, используя сейсмоимпульные машины мы можем создавать заданные величины сей-смовибрационных нагрузок на заданном удалении от
о
VO «
ср
го «
ср
и
CU т X I
X £
I
0
1 т
I
сооружения. Задавая эти же параметры сейсмовибра-ционных нагрузок в модель мы получаем расчётные данные, которые затем можем сравнить с экспериментально полученными данными и более точно настроить системы мониторинга объектов.
Описанные выше экспериментальные подходы по фиксации параметров воздействия динамических нагрузок на натурные объекты и результаты полученных испытаний дают возможность получить надежные результаты по реакции здания на динамические воздействия. Расчёты, проведенные Г.М. Нигметовым методом граничных интегральных уравнений в задачах оценки динамических и напряжено-деформаци-онных параметров при воздействии волновых нагрузок на подземные сооружения различной трехмерной геометрии, показывают волновой характер реакции сооружений на воздействие нагрузки. Выполненные автором с помощью инженера Д. Косцова экспериментальные исследования на пневмодинамической установке ПДУ-100 подтвердили работоспособность предлагаемой методики оценки напряженно-деформируемого состояния объектов сложной трехмерной геометрии, находящихся в сплошной изотропной упругой среде.
Применение теоретических, экспериментальных, инженерных и вероятностных подходов дает возможность получить надежные критерии оценки уязвимости зданий различного конструктивного исполнения и различной геометрии в зависимости от параметров динамических нагрузок и грунтовых условий.
Одной из сложнейших задач при проведении динамических испытаний является задача выделения чистого периода колебаний конструктивной системы. Качество решения поставленной задачи зависит, в первую очередь, от правильности проведенного эксперимента: расстановки датчиков, их закрепления к поверхности конструкций; места, мощности и характера воздействия динамической нагрузки, программно-методического аппарата по анализу полученных виброколебаний. Трудно решаемой задачей является задача получения периодов собственных колебаний конструкций по фоновому воздействию. Анализ по-
лученных спектров колебаний различных зданий при динамическом и фоновом воздействиях показывает возможность четкого выделения периода собственных колебаний (как при импульсном воздействии, так из фоновых колебаний), что особенно характерно для верхних этажей строительных объектов.
Таким образом, для решения задач мониторинга безопасности зданий и оценки индивидуального риска предлагается интегральный экспериментально расчетный подход. При этом для оценки состояния здания (сооружения) используются динамические параметры, полученные из испытаний и расчётов.
Наличие технологии мониторинга уязвимости позволяет реализовать непрерывный мониторинг безопасности любой конструктивной системы. Принципиальная схема такой системы мониторинга безопасности включает в себя:
♦ микрокомпьютер с «вшитой» программой диагностики конструктивной системы по пяти категориям состояния: легкие повреждения (до 10%), умеренные повреждения (до 20%), средние повреждения (до 50% ), тяжелые повреждения (до 70 % ), катастрофические повреждения (до 100 %) и программой управления исполнительными органами;
♦ многоканальный аналогово-цифровой преобразователь с набором датчиков для измерения механических параметров конструктивной системы, электромеханических и температурно-влажностных параметров;
♦ набор исполнительных механизмов для отработки команд, полученных от компьютера.
Разработанная технология позволяет непрерывно во времени выполнять мониторинг индивидуального риска для людей, находящихся в здании (сооружении) в зонах возможного воздействия геологических и других опасностей.
Таким образом, предлагаемая система позволяет обеспечить кратко-срочный мониторинг опасностей, уязвимости и риска территорий, зданий и сооружений. Опытная эксплуатация подобной системы сейчас производится на строительных объектах г. Москвы и г. Калининграда.
Литература
1. ГОСТ Р 22.1.12—2005. Безопасность в ЧС. Структурированная система мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений. Общие требования.
2. Методика оценки системы безопасности и жизнеобеспечения на потенциально опасных зданиях и сооружениях. - М.: ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), 2003.
