CC BY
1УДК 721
doi: 10.52470/2619046X_2023_1_43
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ КОНТРОЛЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ КАК ЭЛЕМЕНТА ТИМ-МОДЕЛИ
А.В. Патрикеев, К.В. Першина
Аннотация. Для обеспечения технического контроля основных параметров механической безопасности зданий и сооружений в рамках универсального подхода в течение всего жизненного цикла предлагается включить методику динамического мониторинга в состав ТИМ-модели. Универсальный подход методики динамического мониторинга состоит в периодическом инструментальном контроле стабильности частоты и логарифмического декремента затухания первого тона резонанса механических колебаний по направлениям взаимно перпендикулярных осей здания или сооружения. При этом параметры частоты и логарифмического декремента затухания рассматриваются как обобщенные характеристики механической безопасности.
Ключевые слова: механическая безопасность, инженерное сооружение, измерения, анализ колебаний, ключевые контрольные параметры, жизненный цикл, динамический мониторинг, технология информационного моделирования.
BASIC PRINCIPLES OF MECHANICAL SAFETY CONTROL OF LOAD-BEARING STRUCTURES OF HIGH-RISE BUILDINGS AND STRUCTURES AS AN ELEMENT OF THE TIM MODEL
A.V. Patrikeev, K.V. Pershina
Abstract. To ensure technical control of the main parameters of the mechanical safety of buildings and structures within the framework of a universal approach throughout the entire life cycle it is proposed to include the dynamic monitoring technique into the BIM model. The universal approach of the dynamic monitoring technique consists of periodic instrumental control of the frequency stability and the logarithmic decay decrement of the first tone of the resonance of mechanical vibrations along the directions of mutually perpendicular axes of a building or structure. In this case, the frequency parameters and the logarithmic damping decrement are considered as generalized characteristics of mechanical safety.
Keywords: mechanical safety, engineering construction, measurements, analysis of vibrations, the key benchmarks, operational lifetime, dynamic monitoring, building information modeling.
К высотным сооружениям относятся такие здания или сооружения, общая высота которых от обреза фундамента превышает 75 метров. Если же высота такого здания или сооружения превышает 100 метров, такие здания или сооружения уже относят к категории уникальных. К высотным зданиям и сооружениям относятся такие инженерно-строительные объекты, как:
- высотные жилые или административные здания различных конструктивных схем;
- антенные сооружения мачтового и башенного типа;
- высотные памятники и иные технически сложные сооружения.
К таким зданиям или сооружениям предъявляются более строгие требования механической безопасности в процессе их эксплуатации. Основными расчетными нагрузками
на высотные сооружения являются: статическая нагрузка от собственного веса, динамическая нагрузка от воздействия ветра и особая сейсмическая нагрузка. Для высотных сооружений необходимо предусматривать периодический контроль (мониторинг) основных динамических характеристик (частота первого тона резонансных колебаний и декремент затухания на этой частоте по направлению основных геометрических осей сооружения) в течение всего срока эксплуатации. Результаты такого мониторинга фиксируются в паспорте сооружения, а изменения контролируемых параметров анализируются с целью обеспечения механической безопасности. Для уникальных сооружений нормативными документами предписывается оснащение постоянной системой мониторинга инженерных конструкций (СМИК) [7].
Высотные и уникальные высотные сооружения зачастую обладают недостаточной общей жёсткостью, а потому обнаруживают склонность к возникновению опасных резонансных колебаний под воздействием ветровой нагрузки либо особой сейсмической нагрузки. В таких случаях, на основании предварительных расчетов, а также результатов испытаний аэродинамически подобных моделей, принимаются меры по снижению резонансных явлений. Эти меры могут носить пассивный характер (конструктивные решения для выравнивания давлений при обтекании сооружения ветровым потоком) либо активный характер (установка механизмов гасителей колебаний). В таких случаях периодический контроль основных динамических характеристик сооружения в течение всего нормативного срока его эксплуатации особенно важен с точки зрения обеспечения механической безопасности сооружения.
Для оптимизации эксплуатационного контроля механической безопасности несущих конструкций разнообразных строительных объектов предложен универсальный подход на основе шестого раздела ГОСТ 31937-2011, в котором вводится понятие общего мониторинга технического состояния зданий и сооружений (рисунок 1). Методика динамического мониторинга заключается в периодическом (1 раз в 3 года) инструментальном контроле стабильности частоты / и логарифмического декремента затухания 51 первого тона резонанса механических колебаний по направлениям взаимно перпендикулярных осей здания или сооружения
Частота
Гц | II ш
Лч
\
Время Тг, годы
Рисунок 1. Общий вид «сигма-кривой» графика зависимости частоты первого тона резонансных колебаний сооружения от времени (в годах), в пределах его жизненного цикла, и критерии ГОСТ 31937-2011
в пределах ±10 % от первоначально зафиксированных значений. При этом параметрыf и 5j рассматриваются как комплексные характеристики общей жёсткости сооружения, а значит - в качестве обобщенных характеристик его механической безопасности [5; 8].
Зависимость f и 5j от времени эксплуатации (в годах) представим в виде «сигма-кривой» на протяженности, равной всей продолжительности жизненного цикла сооружения. Первоначальными значениями f и 5j назначим расчетные величины, полученные в ходе проектирования сооружения (расчет на сейсмические воздействия, расчет на ветровую динамическую нагрузку).
Далее, рассмотрим зависимость от времени эксплуатации (в годах) только в отношении частоты f , поскольку именно такая зависимость подтверждена экспериментальными исследованиями [4].
Начальный, непродолжительный по времени, участок кривой, Этап I, соответствует периоду «приработки» элементов конструкции, и характеризуется постепенным, всё более замедляющимся снижением частоты f. По окончании этого этапа частота стабилизируется на некотором уровне, при этом суммарное снижение контролируемого параметра не должно превышать 10 % от первоначально зафиксированного значения. Этап I мал в сравнении с общим сроком эксплуатации, в эксперименте для объекта «Главный Монумент памятника Победы на Поклонной горе в г. Москве» его длительность составила порядка 12 месяцев [3]. Этап II представляет собой период нормальной эксплуатации, при котором, как видно из графика, частота колебаний/J остаётся неизменной. Наконец, этап III представляет собой период, когда постепенные изменения конструкционных свойств элементов и узлов (вследствие различных причин) начинают приводить к их необратимым изменениям. При этом происходит уменьшение общей жёсткости конструкции, которое может быть обнаружено по снижению контролируемой частоты колебаний f.
Очевидно, что этап I лишь частично относится к периоду нормальной эксплуатации сооружения. Значительная часть этого этапа на временной шкале жизненного цикла сооружения расположена в завершающей части периода строительства (когда основные несущие конструкции, определяющие общую жесткость сооружения, уже смонтированы, но не завершен монтаж ограждающих конструкций и систем обеспечения, не выполнены отделочные работы, не произведен монтаж и наладка оборудования, не выполнено благоустройство) и в периоде приемки сооружения в эксплуатацию. Следовательно, проблема состоит в передаче информации об изменениях контролируемых параметров из периода строительства в период эксплуатации, с сохранением принципов и периодичности получения такой информации. Это возможно в случае включения системы периодического контроля параметров в состав цифровой модели сооружения, создаваемой и развиваемой в рамках технологии информационного моделирования (ТИМ) [6].
Под технологиями информационного моделирования (зданий и сооружений) понимается деятельность по созданию, управлению и хранению электронной информации о зданиях и сооружениях на всех или отдельных этапах их жизненного цикла, результатом которой является создание информационной модели здания или сооружения [2]. В настоящее время в РФ разработана группа сводов правил в области информационного моделирования в строительстве, определяющих общие принципы применения данных технологий (СП 301, СП 328, СП 331, СП 333 и СП 404 из группы 1325800). Применение эксплуатационной информационной модели обеспечивает повышение качества принятых решений за счет автоматизированной передачи точной, полной информации владельцу [1].
Для внедрения в практику эксплуатации высотных зданий и сооружений предлагается использовать метод периодического контроля динамических параметров. Данный метод позволяет контролировать механическую безопасность сооружения через контроль физических
величин (частоты f и логарифмического декремента затухания ôj первого тона резонанса механических колебаний по направлениям взаимно перпендикулярных осей здания или сооружения в пределах ±10 % от первоначально зафиксированных значений), которые при этом характеризуют общую жесткость сооружения. Такой контроль должен сопровождать сооружение на протяжении всего жизненного цикла. Наиболее рациональным будет включение системы периодического контроля параметров в состав цифровой модели сооружения, создаваемой и развиваемой в рамках технологии информационного моделирования (ТИМ).
Особую важность периодический контроль динамических параметров приобретает на завершающем этапе жизненного цикла сооружения, поскольку позволяет своевременно выявить тренд на снижение общей жесткости основных несущих конструкций, принять обоснованное решение о прекращении дальнейшей эксплуатации, а возможно - предотвратить аварийную ситуацию.
Библиографический список
1. Белостоцкий А.М., Акимов П.А., Сидоров В.Н., Кайтуков Т.Б. О развитии адаптивных математических моделей, численных и численно-аналитических методов как основы и составной части систем мониторинга несущих конструкций уникальных зданий и сооружений // Сборник научных трудов РААСН. М., 2018.
2. ГинзбургА.В. Информационная модель жизненного цикла строительного объекта. Промышленное и гражданское строительство.2016. № 9.
3. Патрикеев А.В. Актуальные вопросы периодического вибрационного контроля зданий и сооружений // Вестник МГСУ. 2020. Т. 15. Вып. 9.
4. Патрикеев А.В. Система динамического мониторинга инженерного сооружения как ключевой элемент его технической безопасности // Вестник МГСУ. 2014. № 3.
5. Савин С.Н., ДаниловИ.Л. Современные методики определения динамических параметров зданий и сооружений в соответствии с ГОСТ Р 53778-2010 и ГОСТ Р 54859-2011 // Природные и техногенные риски (физико-математические и прикладные аспекты). 2013. № 3 (7).
6. Талапов В.В. Технология BIM: суть и особенности внедрения информационного моделирования зданий. М., 2015.
7. ШаблинскийГ.Э. Мониторинг уникальных высотных зданий и сооружений на динамические воздействия. М., 2013.
8. Cruciat R., Ghindea C. Expérimental détermination of dynamic charakteristics of structures // Mathematical Modelling in Civil Engeneering. 2012. № 4.
А.В. Патрикеев
кандидат технических наук, доцент,
доцент кафедры «Здания и сооружения на транспорте»
Российский университет транспорта
E-mail: patrikeev-av@mail.ru
К.В. Першина
магистрант кафедры «<Здания и сооружения на транспорте» Российский университет транспорта E-mail: 8804707@mail.ru
