CC BY
16
«Технологии гражданской безопасности», том 18, 2021 (СПЕЦВЫПУСК) /199
Взгляд молодого ученого Young scientist view
УДК 699.841
Оценка возможных рисков для жителей многоэтажного жилого здания в условиях неустойчивых грунтов вечной мерзлоты
ISSN 1996-8493
© Технологии гражданской безопасности, 2021
Т.Г. Нигметов
Аннотация
В статье рассматривается актуальный вопрос оценки степени повреждения зданий и сооружений, эксплуатируемых в условиях неустойчивых грунтов вечной мерзлоты, для обеспечения безопасного проживания населения. Оценка технического состояния системы «грунт-сооружение» проводится с использованием метода динамико-геофизических испытаний, приводится пример его практического применения. Автор предлагает актуализировать действующую методику МЧС России по оценке инженерной безопасности зданий и сооружений для ее применения в условиях вечной мерзлоты.
Ключевые слова: жесткость здания; техническое состояние; вечная мерзлота; опасность обрушения; риск для населения; безопасное проживание.
Possible Risks Assessment for the Residents of a Multi-Storey Building in the Conditions of Unstable Permafrost Soils
ISSN 1996-8493
© Civil Security Technology, 2021
T. Nigmetov
Abstract
The article deals with the topical issue of assessing the damage degree to buildings and structures operated in conditions of unstable permafrost soils to ensure safe living of the population. The assessment of the technical condition of the "soil-structure" system is carried out using the method of dynamic and geophysical tests; an example of its practical application is given. The author suggests updating the current methodology of the Emercom of Russia for assessing the engineering safety of buildings and structures for its application in permafrost conditions.
Key words: rigidity of the building; technical condition; permafrost; danger of collapse; risk to the public; safe living.
11.08.2021
Последние 40 лет на планете все активнее наблюдаются климатические изменения, приводящие к росту средней температуры. Повышение температуры и темпов газодобычи в арктических регионах вызывает вытаивание подземного льда и неравномерное проседание грунтов. Интенсивное освоение вечномерзлых территорий приводит к необходимости многоэтажного строительства для обеспечения жильем увеличивающего числа газодобытчиков, что в условиях сильно деформируемых грунтов ведет к повышению рисков для проживания населения. Неоднородные вечномерзлые грунты от механического и температурного воздействия на основания зданий начинают неравномерно терять свою несущую способность, что приводит к деформативным повреждениям конструкций, кренам, потере интегральной жесткости системы «грунт-здание»; в связи с этим становится актуальным вопрос оценки степени повреждения зданий и сооружений [4].
Методы строительства, применяемые в обычных условиях, непригодны для условий вечной мерзлоты. Способы изысканий, проектирования и строительства не обеспечивают гарантированную защиту жильцов многоэтажных домов от деформативных воздействий, опасности внезапного обрушения конструкций в условиях вечной мерзлоты. Требуются надежные нормативно-технические и организационные меры, гарантированно обеспечивающие защиту населения от риска, связанного с опасностью обрушения конструкций.
f 2
f _ 14
1 m
(1)
где:
— частота колебаний балки, Гц; I — длина балки, м; т — погонная масса балки, кг/м; Е—модуль упругости, Н/м2; 3 — момент инерции сечения балки, м4.
Для определения нормативного значения колебания для неповрежденного сооружения получена следующая зависимость [1]:
f =-
kH
(2)
где:
Ь — длина стороны сооружения в горизонтальной плоскости, вдоль которой определяется период колебаний, м;
Н — высота, м;
k — коэффициент, учитывающей конструктивное исполнение сооружений, например для блочных зданий, равный 0,3;
g — ускорение свободного падения, м/с2.
В качестве примера рассмотрим результаты обследования методом динамико-геофизических испытаний 9-этажного 7-секционного здания, построенного в условиях вечной мерзлоты (рис. 2).
Рис. 1. Рабочий момент. Оценка технического состояния здания, поврежденного воздействием грунтов в условиях вечной мерзлоты, методом динамико-геофизических испытаний
Для оценки технического состояния системы «грунт-здание», оценки опасностей и рисков предлагается применять метод динамико-геофизических испытаний [2].
Метод основан на оценке интегральной жесткости здания по его собственным колебаниям.
Чувствительным параметром жесткости конструктивных систем являются колебания. Колебания здания зависят от его геометрии, массы и жесткости [5].
Связь между квадратом частоты колебаний, длиной, массой и жесткостью здания можно описать дифференциальным уравнением колебания балки длиной I [3]:
Рис. 2. Обследуемое здание
В качестве критерия, характеризующего степень повреждения здания, предлагается использовать относительную величину, которая показывает степень уменьшения измеренной величины квадрата частоты собственных колебаний здания относительно величины нормативного значения квадрата частоты собственных колебаний здания:
Для оценки технического состояния системы «грунт-здание» предлагается выполнить следующие виды динамических испытаний:
1) измерение колебаний грунтового массива и фундаментов здания;
2) измерение колебаний системы «грунт-здание» по секциям здания;
«Технологии гражданской безопасности», том 18, 2021 /201
3) измерение колебаний системы «грунт-здание» совместно по всем секциям здания;
4) измерение колебаний отдельных конструктивных элементов и скорости прохождения импульсов в них.
Измерение колебаний грунтового массива и здания выполняется с помощью высокочувствительных аналоговых датчиков-акселерометров типа А1638. Аналоговый сигнал с акселерометров переводится в цифровой с помощью аналогово-цифрового преобразователя. Полученные цифровые сигналы раскладываются на спектры колебаний (рис. 3-5). Из спектра колебаний «грунт-здание» выявляются собственные колебания и вычисляется дефицит жесткости здания (см. табл.).
В рассмотренном примере по результатам анализа итогов динамических испытаний техническое состояние здания получило оценку «работоспособное» [6].
По данным высокоточных геодезических измерений, относительные осадки для секции 1 составили 0,006, а для секции: 2-0,0078. В соответствии с критериями, установленными для железобетонных каркасных зданий с монолитными перекрытиями, при относительных осадках, превышающих 0,003, здание относится к категории технического состояния «ограниченно-работоспособное».
Исходными условиями для оценки рисков являются: величина вероятности обрушения; количество людей, находящихся в здании; время, в течение которого может произойти обрушение.
Рассмотренный пример показывает, что необходимо продолжить научные и экспериментальные исследования по комплексному применению технологии динамико-геофизических испытаний, прочностного
Рис. 5. Пример спектра колебаний секции 1 здания и его грунтового основания по оси Z
и геодезического контролея для диагностики и мониторинга систем «грунт-сооружение» в условиях вечной мерзлоты в целях повышения безопасного проживания населения. Результатом проведенных исследований
должна стать актуализация действующей методики МЧС России по оценке инженерной безопасности зданий и сооружений для ее применения в условиях вечной мерзлоты [1].
Таблица
Дефицит жесткости (относительно максимального измеренного значения частоты), оценка категории
технического состояния секций здания
Номер секции ЛЕ1х, % (ось здания X) ^Е/, % (ось здания Y) , % (ось здания Z) Вывод о категории технического
состояния секции
1 10 10 15,36 работоспособное
2 15,2 19,9 10 работоспособное
3 10 10 10 проектное
4 10 10 10 проектное
5 10 10 29 работоспособное
6 10 10 10 проектное
7 10 14,4 10 работоспособное
Литература
Нигметов Г. М., Сошенко М. В., Шмырев В. И. Подход к оценке нагрузок на сооружение после взрыва бытового газа // Технологии гражданской безопасности. 2018. № 1 (55). С. 2832.
Нигметов Г. М., Акатьев В. А., Савинов А. М., Нигметов Т. Г. Оценка сейсмостойкости зданий динамико-геофизическим методом с учетом особенности взаимодействия сейсмической волны с системой «грунт-сооружение» // Строительная механика и расчет сооружений. 2018. № 1 (276). С. 24-30.
Методика МЧС России по оценке инженерной безопасности зданий и сооружений. М.: ВНИИ ГОЧС (ФЦ), 2003. Черкашин Д. И. Основные причины разрушения земляного полотна в условиях вечной мерзлоты // Молодой исследователь: вызовы и перспективы. 2018. № 4. С 312-321. Morris I, Abdel-Jaber H, Glisic W Quantitative attribute analyses with ground penetrating radar for infrastructure assessments and structural health monitoring // Sensors (Switzerland). 2019. № 7. Jasinski R., Drobiec L., Mazur W. Validation of Selected nondestructive methods for determining the compressive strength of masonry units made of autoclaved aerated concrete // Materials (Basel). 2019. № 12 (3). P. 13-15.
Сведения об авторе
Нигметов Темир Геннадьевич: ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), м. н. с.
121352, Москва, ул. Давыдковская, 7. email: t.nigmetov@yandex.ru SPIN-код: 2452-2625.
Information about author
Nigmetov Temir G.: All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies, Junior Researcher. 7, Davydkovskaya, Moscow, 121352, Russia. e-mail: t.nigmetov@yandex.ru SPIN-scientific: 2452-2625.
