CC BY
105
УДК 624.044 + 624.042.8 А.В. Патрикеев, Е.К. Салатов*
ООО «ЦДМ»,*ФГБОУ ВПО «МГОУ имени В.С. Черномырдина»
ОСНОВЫ МЕТОДИКИ ДИНАМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ДЕФОРМАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
Рассмотрена актуальная на сегодняшний день проблема проведения динамического мониторинга зданий и сооружений. Приведен общий порядок и описаны основные этапы его проведения. Методология динамического мониторинга рассмотрена на простом примере.
Ключевые слова: динамический мониторинг, методика, здания и сооружения, обследование, техническое состояние, колебания, измерения, эксплуатация.
Динамический мониторинг — важная составная часть общего мониторинга технического состояния зданий и сооружений [1]. Динамический мониторинг представляет собой комплекс инженерно-геодезических работ, выполняемых с целью определения количественных характеристик деформационных процессов, в т.ч. колебаний зданий и сооружений [2]. Объектами динамического мониторинга в первую очередь являются высотные здания и сооружения [3, 4], а также здания и сооружения с крановыми нагрузками.
Действующий ГОСТ Р 53778—2010 [5, 6] в т.ч. регламентирует работы по общему мониторингу технического состояния зданий и сооружений, который может осуществляться в несколько этапов, значительно разнесенных по времени.
При общем мониторинге, как правило, не проводят обследование технического состояния зданий и сооружений в полном объеме. В соответствии с требованиями [5] общий мониторинг технического состояния здания или сооружения начинается с выполнения визуального осмотра конструкций с целью приблизительной оценки категории технического состояния, проведения измерения динамических параметров здания или сооружения (его составных частей) и составления паспорта здания (сооружения).
Порядок проводимых динамических измерений и обработки их результатов, а также требования, предъявляемые к измерительной системе, определяются недавно введенным в действие ГОСТ Р 54859—2011 [7], расширяющим возможности и области применения практических методов динамического мониторинга. При регистрации динамического архива частота дискретизации сигналов Дф выбирается в зависимости от требований к точности (погрешности) измерений, а также в зависимости от предполагаемых границ частотного диапазона регистрации. В [7] приводятся ориентировочные данные о границах частотного диапазона для зданий с числом этажей от 5 до 30.
На повторном (текущем) этапе работ, выполняемом через два года, производятся повторные измерения динамических параметров. Если по результатам этих измерений динамических параметров (частот и логарифмических декрементов затухания собственных колебаний здания или сооружения по основным осям) их изменения не превышают 10 %, то следующие подобные измерения рекомендуется проводить еще через два года.
ВЕСТНИК
МГСУ-
1/2013
Такие текущие этапы общего мониторинга могут повторяться многократно до тех пор, пока по результатам приблизительной оценки категории технического состояния здание или сооружение соответствует нормативному или работоспособному техническому состоянию.
Второй этап общего мониторинга, в виде внепланового обследования технического состояния здания и сооружения, может начаться в том случае, если приблизительная оценка категории технического состояния признала его ограниченно работоспособным или аварийным, а также, если результаты последних повторных измерений динамических параметров отличаются более чем на 10 %.
Таким образом, в случае, если техническое состояние здания или сооружения по результатам визуальной оценки специализированной организацией является работоспособным, это позволяет в ряде случаев существенно сэкономить на дорогостоящем комплексном обследовании здания или сооружения. С другой стороны, необходимость выполнения работ в соответствии с ГОСТ Р 53778—2010 накладывает на исполнителя работ дополнительные требования. Специализированная организация должна обладать соответствующим измерительно-аналитическим комплексом оборудования, позволяющим регистрировать колебания конструкций зданий и сооружений, а также их составных частей, выполнять спектральный анализ зарегистрированного архива с вычислением резонансных частот и их логарифмических декрементов затухания. Разумеется, организация — исполнитель работ по динамическому мониторингу технического состояния зданий и сооружений должна иметь в своем штате специалистов, способных работать с такой аппаратурой.
В процессе эксплуатации происходят постепенные изменения конструкционных свойств элементов и узлов здания или сооружения: изменение шар-нирности сопряжений в узлах фермы, перераспределение усилий вантовой системы, отрыв элементов, срез болтовых соединений и т.п. Рано или поздно такие изменения приводят к переходу несущих конструкций эксплуатируемого объекта в ограниченно работоспособное или аварийное состояние.
Обобщенную зависимость изменения технических характеристик (в т.ч. динамических параметров) здания или сооружения в процессе его эксплуатации можно представить в виде графика [8, 9]. По оси абсцисс — время Т год, а по оси ординат — обобщенная характеристика надежности здания или сооружения А (рис. 1).
Рис. 1. Изменение обобщенной характеристики надежности за период эксплуатации
Начальный этап эксплуатации (приработка) не рассматривается. Нормативное техническое состояние здания или сооружения представляется как частный (идеализированный) случай работоспособного технического состояния. Вместо обобщенной характеристики надежности (с точностью до масштабного коэффициента по оси ординат) можно рассмотреть конкретный характерный параметр, определяющий надежность и долговечность всего сооружения в целом. Это может быть частота основного тона колебаний у, логарифмический декремент затухания колебаний 5., величина прогиба в середине пролета, величина крена и др. Если данный параметр является определяющим надежность и долговечность здания или сооружения в целом, временной масштаб такого графика совпадет с временным масштабом обобщенной характеристики надежности А. Это значит, что, правильно выбрав контролируемый параметр, в ходе осуществления мониторинга можно определить момент начала перехода эксплуатируемой конструкции из работоспособного состояния в состояние ограниченно работоспособное или аварийное.
Поскольку при динамическом мониторинге происходит периодическая регистрация и спектральный анализ колебаний в достаточно широком диапазоне частот, при этом может регистрироваться несколько колебательных процессов в различных элементах конструкции, то именно динамический мониторинг является наиболее информативным методом экспресс-диагностики, предшествующим, в случае выявления тенденции изменения контролируемых параметров, принятию решения о проведении комплексного обследования здания или сооружения.
Методологию динамического мониторинга можно рассмотреть на простом (идеализированном) примере. Строительная конструкция (элемент) в виде горизонтальной балки, заделанной по концам, загружается в ходе эксплуатации периодической вертикальной нагрузкой, равномерно распределенной по длине пролета, причем изменение нагрузки во времени представляет собой циклический процесс из многих частот. В ходе продолжительной эксплуатации происходит постепенное разрушение жестких заделок концов балки (рис. 2, а) и превращение узлов закрепления в шарнирные (рис. 2, б).
Рис. 2. Пример изменения условий эксплуатации балки
Частота первого тона собственных изгибных колебаний балки может быть представлена в виде
где а1 — коэффициент (для первого тона изгибных колебаний), зависящий от закрепления балки по концам [10]; I — пролет балки; Ш — жесткостная характеристика балки; т — распределенная нагрузка.
= 22,37
а
б
at2 = 9,869
Изменение частоты первого тона изгибных колебаний балки в случае образования полных шарниров по обоим ее концам, таким образом, сведется к соотношению квадратов коэффициентов а для исходного состояния (рис. 2, а) и для состояния конструкции на момент проведения контроля (рис. 2, б): f //1(исх) = 9,869 / 22,37 = 0,4412. Т.е. регистрируемая частота колебаний балки составит 44 % от первоначальной (изменение на 56 %). Даже если предположить образование полного шарнира вместо заделки только в одной из двух точек опирания балки, то и тогда, с учетом справочных данных [10], изменение частоты составит: f = 15,418 / 22,37 = 0,6892.
В этом случае регистрируемая частота колебаний балки составит 69 % от первоначальной (изменение на 31 %). Конечно же, на практике подобные изменения фактической расчетной схемы сооружения будут соответствовать переходу конструкции в аварийное состояние.
Величина изменения регистрируемого параметра 10 % относительно предшествующего этапа мониторинга, при превышении которой ГОСТ Р 53778—2010 устанавливает необходимость проведения обязательного внепланового обследования здания или сооружения, на начальном этапе применения на практике данного нормативного документа представляется вполне оправданной. В дальнейшем, по мере накопления у исполнителей таких работ статистических данных, можно будет, анализируя полученную информацию, вести дискуссию о возможном повышении или, напротив, снижении контрольного уровня отклонения в 10 %.
Что же касается интервала между измерениями, определенными ГОСТ Р 5377—2010 величиной два года, по нашему мнению, здесь следовало бы употребить словосочетание «не более двух лет». Чем более сложным в техническом плане является объект контроля, чем более высокие требования предъявляются к безопасности его эксплуатации, тем этот интервал должен быть короче. Для уникальных объектов может быть назначен режим постоянного мониторинга с использованием автоматизированной стационарной системы, выполненной по специально разработанному проекту.
На объектах, подконтрольных Федеральной службе по экологическому, технологическому и атомному надзору, периодичность этапов мониторинга (в т.ч. динамического) их технического состояния целесообразно увязывать с нормируемой периодичностью проводимых экспертиз и технического диагностирования (обследования), например, экспертиза зданий и сооружений на опасном производственном объекте, обследование опорных строительных конструкций крановых путей, техническое диагностирование подъемных сооружений и т.п. При этом положения ГОСТ Р 53778—2010 в части динамического мониторинга на опасных производственных объектах следует уточнить и развить в рамках специального нормативного документа, разработанного специализированной организацией и согласованного органами Ростехнадзора.
Библиографический список
1. Balageas D., Fritzen C.P., Guemes A. Structural Health Monitoring. Publ. ISTE Ltd, London, 2006. 496 p.
2. Динамический мониторинг конструкций декоративного навеса и пешеходного моста в аэропорту Шереметьево-3 / А.В. Коргин, Е.Ю. Шаблинский, Е.Ю. Сергеевцев, Д.А. Зубков // Вестник МГСУ 2011. № 4. С. 222—228.
3. ЛазебникГ.Е., Кошелева H.H. Мониторинг несущих конструкций зданий повышенной этажности // Свгг геотехшки. 2009. № 1. С. 14—18.
4. Гурьев В.В., Дорофеев В.М. О мониторинге технического состояния несущих конструкций высотных зданий и широкопролетных сооружений // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2006. № 7 (90). С. 68—69.
5. ГОСТ Р 53778—2010. Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния. Дата введения 2011-01-01. М., 2010. IV 67 с.
6. Улыбин А.В., Ватин Н.И. Принципиальные отличия ГОСТ Р 53778—2010 от старых нормативов по обследованию зданий и сооружений // Гидротехника. 2011. № 2(23). С. 54—56.
7. ГОСТ Р 54859—2011. Здания и сооружения. Определение параметров основного тона собственных колебаний. Дата введения 2012-01-07. М., 2012. IV. 64 с.
8. Патрикеев А.В. Повышение уровня безопасности инженерных сооружений на примере Главного монумента памятника Победы на Поклонной горе в г. Москве // Проблемы управления качеством городской среды : Материалы XI науч.-практ. конф. 27—28.09.2007. РАГС. М., 2007. С. 82.
9. Патрикеев А.В., Салатов Е.К., Спиридонов В.П. Динамический мониторинг зданий и сооружений как один из критериев обеспечения безопасной эксплуатации // Технологические проблемы прочности : материалы XVIII Междунар. семинара. Подольск, 2011. С. 78—81.
10. Справочник по динамике сооружений / под ред. Б.Г. Коренева, И.М. Рабиновича. М. : Стройиздат, 1972. 511 с.
Поступила в редакцию в октябре 2012 г.
Об авторах: Патрикеев Александр Владимирович — кандидат технических наук, начальник отдела мониторинга, ООО «Центр Диагностики и Мониторинга» (ООО «ЦДМ»), 117556, г. Москва, Варшавское шоссе, д. 95 А, 8 (495) 956-16-00, [email protected];
Салатов Евгений Константинович — кандидат технических наук, доцент кафедры подъемно-транспортных, строительных и дорожных машин, ФГБОУ ВПО «Московский государственный открытый университет имени В.С. Черномырдина» (ФГБОУ ВПО «МГОУ имени В.С. Черномырдина»), 107996, г. Москва, ул. Павла Корчагина, д. 22, 8 (495) 683-99-93, [email protected].
Для цитирования: Патрикеев А.В., Салатов Е.К. Основы методики динамического мониторинга деформационных характеристик зданий и сооружений // Вестник МГСУ 2013. № 1. С. 133—138.
A.V. Patrikeev, E.K. Salatov
FUNDAMENTALS OF THE METHOD OF DYNAMIC MONITORING OF DEFORMATION CHARACTERISTICS OF BUILDINGS AND STRUCTURES
The article covers the relevant problem of dynamic monitoring of buildings and structures. Items exposed to dynamic monitoring primarily include high-rise buildings and structures, as well as buildings and structures exposed to crane loads.
The authors provide the general procedure of dynamic monitoring and describe its principal stages. The whole succession of actions that constitute the monitoring of the technical condition of buildings and structures can be split into several stages to be stretched over the time period. The authors demonstrate the technical specifications (including dynamic parameters) of a building or a structure in the process of its operation in the form of a graph. The authors propose their methodology of dynamic monitoring that is considered on the basis of a simple example.
The authors argue that the more technically sophisticated the item to be monitored, the tougher the requirements designated for its safe operation; therefore, the interval between the stages of monitoring should be shorter. Unique structures may need monitoring using automated stationary systems to be designed within the framework of special-purpose projects.
Key words: dynamic monitoring, methods, buildings and structures, inspection, technical condition, oscillations, measurement, operation.
References
1. Balageas D., Fritzen C.P., Guemes A. Structural Health Monitoring. Publ. ISTE Ltd, London, 2006, 496 p.
2. Korgin A.V., Shablinskiy G.E., Sergeevtsev E.Yu., Zubkov D.A. Dinamicheskiy monitoring konstruktsiy dekorativnogo navesa i peshekhodnogo mosta v aeroportu Sheremet'evo-3 [Dynamic Monitoring of Structures of a Decorative Shed and a Pedestrian Bridge at Sherem-etyevo-3 Airport]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2011, no. 4, pp. 222—228.
3. Lazebnik G. E, Kosheleva N.N. Monitoring nesushchikh konstruktsiy zdaniy povyshen-noy etazhnosti [Monitoring of Bearing Structures of Excess Height Buildings]. Svit geotekhniki [The World of Geotechnics]. 2009, no. 1, pp. 14—18.
4. Gur'ev V.V., Dorofeev V.M. O monitoringe tekhnicheskogo sostoyaniya nesushchikh konstruktsiy vysotnykh zdaniy i shirokoproletnykh sooruzheniy [On the Monitoring of the Technical Condition of Bearing Structures of High-rise Buildings and Large-span Structures]. Stroitel'nye materialy, oborudovanie, tekhnologiiXXI veka [Construction Materials, Machinery, Technologies of the 21st Century]. 2006, no. 7(90), pp. 68—69.
5. GOST R 53778—2010. Zdaniya i sooruzheniya. Pravila obsledovaniya i monitoringa tekhnicheskogo sostoyaniya. Data vvedeniya 2011-01-01. [State Standard of Russia 53778— 2010. Buildings and Structures. Rules of Inspection and Monitoring of Their Technical Condition. Date of Introduction 2011-01-01]. Moscow, 2010, 67 p.
6. Ulybin A.V., Vatin N.I. Printsipial'nye otlichiya GOST R 53778—2010 ot starykh nor-mativov po obsledovaniyu zdaniy i sooruzheniy [Principal Differences between State Standard R 53778-2010 from Former Regulations Applicable to Inspection of Buildings and Structures]. Gidrotekhnika [Hydraulic Engineering]. 2011, no. 2(23), pp. 54—56.
7. GOST R 54859—2011. Zdaniya i sooruzheniya. Opredelenie parametrov osnovnogo tona sobstvennykh kolebaniy. Data vvedeniya 2012-01-07. [State Standard of Russia Buildings and Structures 54859—2011. Identification of Parameters of the Basic Tone of Natural Oscillations of Buildings. Date of Introduction 2012-01-07]. Moscow, 2012, 64 p.
8. Patrikeev A.V. Povyshenie urovnya bezopasnostiinzhenernykh sooruzheniy na primere Glavnogo monumenta pamyatnika Pobedy na Poklonnoy gore v g. Moskve [Improvement of Safety of Engineering Structures Exemplified by the Main Monument of the Victory Memorial on Poklonnaya Hill in the city of Moscow]. Problemy upravleniya kachestvom gorodskoy sredy [Problems of the Urban Environment Quality Management]. Collected works of the 11th Scientific Conference. Moscow, RAGS Publ., 2007, p. 82.
9. Patrikeev A.V., Salatov E.K., Spiridonov V.P. Dinamicheskiy monitoring zdaniy i sooru-zheniy kak odin iz kriteriev obespecheniya bezopasnoy ekspluatatsii [Dynamic Monitoring of Buildings and Structures as One of the Criteria of Their Safe Exploitation]. Tekhnologicheskie problemy prochnosti [Technological Problems of Strength]. Collected works of the XVIII International Seminar. Podol'sk, 2011, pp. 78—81.
10. Korenev B.G., Rabinovich I.M. Spravochnik po dinamike sooruzheniy [Reference Book on Dynamics of Structures]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1972, 511 p.
About the authors: Patrikeev Aleksandr Vladimirovich — Candidate of Technical Sciences, Director, Monitoring Department, Centre for Diagnostics and Monitoring (TsDM), 95A Varshavskoye shosse, Moscow, 117556, Russian Federation; [email protected], +7 (495) 956-16-00;
Salatov Evgeniy Konstantinovich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Moscow State Open University named after V.S. Chernomyrdin (MSOU), 22 Pavla Kor-chagina St., Moscow, 129626, Russian Federation; [email protected], +7 (495) 683-99-93.
For citation: Patrikeev A.V., Salatov E.K. Osnovy metodiki dinamicheskogo monitoringa de-formatsionnykh kharakteristik zdaniy i sooruzheniy [Fundamentals of the Method of Dynamic Monitoring of Deformation Characteristics of Buildings and Structures]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 1, pp. 133—138.
