Предложения по проектированию систем мониторинга инженерных конструкций высотных зданий Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Федеральный центр науки и высоких технологий «Всероссийский научно-исследовательский институт по проблемам гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций»

УДК 614.8.084

Г.М. Нигметов к.т.н. (ФГУВНИИГОЧС(ФЦ)) ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА ИНЖЕНЕРНЫХ

КОНСТРУКЦИЙ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ

G. Nigmetov (FGU VNIIGOChS (FC)) SUGGESTIONS ON PROJECT MANAGEMENT OF HIGH BUILDINGS ENGINEERING CONSTRUCTIONS

MONITORING SYSTEM

В статье изложены основы подготовки проектных решений по разработке систем мониторинга строительных конструкций проектируемых высотных зданий.

In article there are given basic principals of project decisions of monitoring system development of building constructions.

Г.М. Нигметов

о

vo

а р

ro

а р

к

с е

T

и н

х

е

о н

T

у

а

I

В настоящее время единственным нормативным документом,

регламентирующим проектирование зданий высотой более

75 м (до 400 м) в г. Москве является МГСН 4.19-2005 «Временные нормы и правила проектирования многофункциональных высотных зданий и зданий — комплексов в городе Москве», где содержатся некоторые требования к разработке систем мониторинга высотных зданий.

В МГСН 4.19—2005 отражены общие указания по организации систем мониторинга высотных зданий и сооружений, включая построение аппаратной части системы непрерывного мониторинга, но отсутствуют такие понятия, как категории (критерии) состояния, которые должны распознаваться системой непрерывного мониторинга.

Предлагается для обеспечения своевременной засечки возможных нарушений несущей способности зданий выполнять мониторинг группы локальных и интегральных физико-механических параметров.

К таким параметрам относятся:

- наклоны контролируемых поверхностей конструкций;

- деформации контролируемых точек;

- перемещения контролируемых точек;

- ускорения и скорости контролируемых точек;

- периоды собственных колебаний;

- формы колебаний;

- скорости пробегания импульсов между контролируемыми точками.

Перечисленные параметры с взаимным перекрытием обеспечивают контроль прочности материалов, их жесткости и геометрическое соответствие конструктивной системы проекту.

Все параметры должны контролироваться во времени. Мониторинг системы грунт-здание производится в локальных и глобальных системах координат. Если здание имеет круговое очертание может применяться полярная система координат. Глобальная система координат назначается относительно геометрического центра здания, начало системы координат может назначаться на нулевом строительном уровне. Локальные системы координат назначаются в геометрических центрах датчиков в местах их установки, математически локальные системы координат связываются с глобальной системой координат.

Мониторинг зданий и сооружений разделяется по времени, месту и виду. Главной целью мониторинга является прогноз возможных повреждений системы грунт-здание, оценка безопасности здания и риска для людей, находящихся в зоне возможного разрушения здания. Прогноз может быть долгосрочным, среднесрочным и краткосрочным.

По времени мониторинг может быть периодическим и непрерывным. Мониторинговые данные используются для выполнения долгосрочного, среднесрочного, краткосрочного и оперативного прогнозов.

Долгосрочный прогноз выдаётся на несколько лет, год вперёд. Известно, что здания в среднем рассчитываются на 100 лет. В течении пер-

вых нескольких лет в здании происходят максимальные деформации, связанные с усадкой грунта, бетона, узлов и т.д. под действием нагрузок от веса конструктивной системы, снега, ветра, вибрации, геологических процессов и др. Для долгосрочного прогноза выполняются периодические измерения, прочности, геометрии и динамики в интервале 1-2 раза в год.

Увеличивая периодичность мониторинговых наблюдений до одного раза в неделю можно выполнять среднесрочный прогноз безопасности системы грунт с выдачей прогнозов одного раз в месяц.

Таким образом, периодический мониторинг может выполняться в интересах долгосрочного и среднесрочного прогнозов, а также при выполнении дополнительных измерений для уточнения динамических, прочностных и геометрических параметров системы грунт-здание.

Краткосрочный прогноз должен выполняться с периодичностью не реже одного раза в неделю, при этом мониторинговые наблюдения должны вестись не реже чем одно наблюдение в три часа. Оперативный прогноз выполняется по факту обнаружения отклонений измеряемых параметров от нормы в непрерывном режиме.

В зависимости от способа измерений мониторинг по месту может выполняться локально и интегрально.

При локальных измерениях производится измерение и оценка параметра в контролируемой точке. При интегральных измерениях данные измерений в точке распространяются на всю систему в целом. Все места расположения датчиков должны быть привязаны к глобальной системе координат здания.

Различают два основных вида мониторинговых измерений во времени — это статические и динамические измерения.

При статических измерениях, которые привязываются к дате (день, месяц, год) фиксировано определяются основные статические параметры системы грунт-здание, которые могут повлиять на его безопасность:

- места расположения и размеры трещин;

- прогибы конструктивных элементов;

- крены и просадки здания;

- прочность строительных конструкций и грунтов.

При динамических измерениях определяются геометрические, прочностные и деформационные параметры непрерывно во времени, причём кратность измерений определяется в зависимости от динамики системы грунт-здание. Наиболее эффективными и информативными для безопасности зданий и населения являются краткосрочные и оперативные мониторинговые наблюдения.

Наиболее интегральными и представительными данными для принятия решения о безопасности здания являются динамические мониторинговые данные.

Динамика зданий и грунтового массива это очень сложный нестационарный процесс.

В настоящее время не существует эффективных программных продуктов для прямого нестационарного анализа динамических процессов, поэтому применяют пакеты программ, в которых нестационарные процессы представляют через сумму стационарных процессов путём разложения в ряды Фурье. Для полноценной оценки состояния системы грунт-здание необходимо измерять: ускорения, скорости, перемещения, углы наклонов, деформации и параметры колебаний.

Наиболее интегральным показателем для зданий, характеризующим его несущую способность является величина жесткости Е * I, которая обратно пропорциональна через корень квадратный периоду собственных колебаний, то есть:

Т1 = к*

где м — масса здания, кг;

Е — модуль упругости, кГ/см2;

I — момент инерции, см4;

к — коэффициент пропорциональности, учитывающие конструктивную схему здания.

Как видно из формулы период собственных колебаний здания учитывает практически все основные физико-механические показатели от которых зависит механическая безопасность здания.

Измерение ускорения позволяет получить закономерности изменения усилий по всему объёму системы грунт-здание от места приложения основной нагрузки и определить свойства системы грунт-здание воспринимать нагрузки. Путём одинарного и двойного интегрирования ускорения получаются параметры скорости и перемещения.

В настоящее время имеется хорошо отработанный парк приборов для измерения наклонов внутренних и наружных частей поверхностей объектов. Углы наклонов измеряются с помощью наклономеров. Наклономеры могут устанавливаться в декартовой или полярной системе координат в зависимости от формы контролируемой поверхности. Количество и места расстановки датчиков определяется в зависимости от точности решаемой задачи и требований заказчика.

При ограниченном количестве наклономеров должны быть тщательно выбраны места расстановки датчиков. Большое значение имеют параметры точности измерений. Параметры датчиков назначаются исходя из возможных деформаций контролируемых конструктивных систем.

Обработка результатов измеряемых углов производится в реальном времени с учётом преобладающего динамического поведения конструктивной системы (или собственных колебаний).

Для того чтобы от углов перейти к вычислению возможных прогибов используются расчётно-экспе-риментальные подходы:

- в местах конструктивных элементов, где перемещения минимальны (или отсутствуют) устанавливаются реперные датчики;

о

ю

а р

го

а р

к

с е

т

и н

х

е т

I

о н

т

у

а

I

0

VO га ср

го «

ср

0!

X ^

и

CU т X

1 X CU н

I

0

1 т

I

- применяется принцип симметрии: если показания симметрично расположенных датчиков совпадают, то это говорит о симметричном воздействии нагрузок, что благоприятнее для конструктивной системы; если показания не совпадают, то воздействие не симметричное, что малоблагоприятно для конструкции;

- применяется принцип засечки, когда датчики, расположенные по одной оси дают линии наклонов в местах пересечения которых при одностороннем наклоне максимальные перемещения; при разнонаправленных наклонах максимальный прогиб пролёта вычисляется в зависимости от соотношения углов и расстояния между пунктами измерений;

- все измерения должны анализироваться в фиксированные моменты времени в одной пространственной глобальной системе координат.

Нагрузки и коэффициенты запаса прочности должны соответствовать региональным требованиям и СНиП 2.01.07—85 «Нагрузки и воздействия».

Для осуществления ранней диагностики технического состояния высотных зданий предлагается 2 подсистемы мониторинга несущих конструкций, дублирующих взаимную работу разными методами:

1) подсистема контроля осадок и деформаций;

2) подсистема мониторинга ускорений, жесткости и собственных частот колебаний.

Количество и места установки датчиков определяются в соответствии с требованиями региональных и ведомственных норм, СНИП и опыта работ по установке аналогичных систем на других объектах.

Подсистема контроля осадок и деформаций

Цель данной подсистемы — контроль деформаций основных несущих конструктивных элементов и при регистрации деформаций от установленных значений (при приёмочных испытаниях, при периодическом мониторинге) ранжирование состояния объекта по категориям состояния и своевременную доставку информации об этом в соответствующий центр по принятию решения.

Осадки и деформации в автоматическом режиме определяются расчётным путём через углы поворота сооружения в точках, где находятся станции наблюдения, а также через высокоточные GPS измерения и измерения датчиков ускорений путём двойного интегрирования.

Количество и расположение станций наблюдения должно позволять контролировать относительные прогибы и деформации с разрешающей способностью 0,1 мм и средней точностью 0,3 мм на плече 10,0 м.

Для обеспечения указанной точности измерительная система калибруется при периодическом мониторинге с помощью традиционных статических методов измерения осадок и деформаций (геодезическая съёмка, высокоточное GPS-позиционирова-ние, прямые измерения расстояний, зазоров и т.п.). Частотный диапазон опроса каждого канала — не менее 10 Гц.

Виды математической обработки: производит-

ся расчёт осадок, отклонений и деформаций несущих и ограждающих конструкций сооружения.

Все расчетные показатели корректируются с учетом данных по геотехническому мониторингу, выполняемому в процессе строительства и эксплуатации здания МДБ.

Подсистема мониторинга ускорений, жесткости и собственных частот колебаний здания

Цель данной подсистемы — определение резонансных частот и форм колебаний в режиме непрерывного мониторинга, ранжирование состояния объекта по категориям состояния и своевременная доставка информации об этом в центр по принятию решения.

При выходе матрицы частот и форм колебаний из состояния, адекватного расчётному, или при приближении к границе этого состояния, подсистема должна своевременно информировать об этом центры принятия решения. В свою очередь центры принятия решения инициируют экспертизу состояния объекта, в ходе которой уточняется его категория состояния.

Система состоит из трёхкомпонентных датчиков ускорений, работающих в частотном диапазоне 0-0,1 - 400 Гц.

Датчики ускорений должны иметь уровень собственных шумов в горизонтальной плоскости — не хуже 2,5 mkg, в вертикальной — не хуже 5 mkg. Частота опроса каждого канала должна быть не менее 1000 Гц.

Виды математического обеспечения: производится спектральный анализ и адаптивная фильтрация с определения резонансных частот и форм колебаний, производится сравнение полученных периодов собственных колебаний здания с нормативными расчётными значениями периодов собственных колебаний высотного здания.

При сборе данных поддерживается синхронизация измерительных каналов.

Предварительный перечень измерительных устройств

Одна измерительная станция должна содержать трёхкомпонентный измеритель вибраций и двухком-понентный измеритель угла отклонения. Количество измерительных станций назначается из расчёта по 4-5 шт. на 1 этаже (при установке на каждый пятый этаж высотной части здания), кроме того обязательна установка по 4-5 станций в подземной, стелобатной и кровельной частях здания. Станции устанавливаются по осям Х и У ближе к внешним стенам в глобальной системе координат относительно вертикальной оси Z, проходящей через центр ядра здания. Центральная на каждом уровне станция устанавливается как можно ближе к центру ядра, или оси Z .

Метрологическое обеспечение измерений

Всё применяемое измерительное оборудование должно периодически поверяться и иметь свидетельства о государственной поверке. Если измерительное

оборудование не внесено в государственный реестр средств измерений, то оно должно иметь паспорт, методику калибровки и технические средства (стенды) для этого.

Представленные выше технологии и конструкторские решения по установке систем мониторинга инженерных конструкций (СМИК), выполненные с учетом региональных требований и СНИП, могут быть положены в основу соответствующей Методики мониторинга инженерных конструкций...

Категории ранжирования состояния объекта

Номинально, при установлении таких критериев логично исходить из принципов методики предельных состояний (МПС), положенных в основу обеспечения надёжности объектов строительства (ГОСТ 27751—88) надёжность строительных конструкций и оснований.

Согласно этой методики при проектировании и эксплуатации объектов строительства различают два основных предельных состояния:

первое предельное состояние, когда конструкция полностью утрачивает свои эксплуатационные свойства, например, разрушается, теряет устойчивость и т.д. При проектировании в этом случае исходят из максимально возможных (расчётных) воздействий и минимально возможных (расчётных) сопротивлений конструкционных материалов;

второе предельное состояние, когда при сохранении несущей способности затруднена нормальная эксплуатация сооружения, например, перемещения (прогибы) конструкций приводят к нарушению работы технологического оборудования, колебания конструкций вызывают дискомфортное состояние людей, находящихся в помещении (например, на верхних этажах высотного здания) и т. д.

Проектирование объектов строительства в последнем случае выполняется, исходя из так называемых нормативных значений - пониженных для нагрузок и повышенных для прочности материала, так как предполагается, что такое дискомфортное состояние будет кратковременным или может быть устранено штатными средствами. После этого сооружение будет полностью удовлетворять эксплуатационным требованиям, в том числе требованиям безопасности.

Исходя из этих фундаментальных положений, можно сформулировать критерии технического состояния несущих конструкций здания, позволяющие установить порядок формирования заключения по этапу мониторинга технического состояния инженерных конструкций объекта и установить порядок принятия решений по обеспечению безопасности технического состояния инженерных конструкций объекта.

Если принять «светофорные» правила обозначения опасности то, используя интегральные характеристики — перемещения, формы и частоты колебаний сооружения, можно включать:

- зелёный свет, когда контролируемые в процессе мониторинга величины этих характеристик не будут превосходить значений, рассчитанных при нормативных воздействиях. Это состояние нормальной эксплуатации здания;

- красный свет, когда контролируемые величины достигают или превосходят значения, соответствующие расчётным воздействиям. Это состояние запрещения дальнейшей эксплуатации сооружения;

- желтый свет, когда контролируемые величины находятся в промежутке между красным и зелёным. Это состояние предупреждения о приближении серьёзной опасности, когда необходимо оперативно

Таблица

Укрупнённый алгоритм контроля системы грунт-здание с помощью датчиков ускорений и наклонов

Датчик ускорений Датчик наклонов

Трехкомпонентные широкополостные (используется два типа датчиков) Двухкомпонентные, узкополосные

Режим мониторинга

Непрерывный

Непрерывный

Что измеряется

Ускорение по осям х,у,7 в диапазоне частоты от 0.1 до 400 Гц Углы наклонов по осям х,у в диапазоне до 4 Гц

Первый шаг обработки

Выполнение спектрального анализа, выделение первого и последующих токов Т, ...— Тп Выполнение спектрального анализа, выделение первого и последующих токов Т, ....— Тп

Определение угловой скорости

Выполним двойное интегрирование и определим перемещения: их, иу, № в контролируемых точках Используя GPS измерения и измерения наклономеров определим: Ux, Uy, Uz

Расчет по формуле Лагранжа (или другими численными методами)

Интегрировать значение функций в промежуточных точках с использованием формулы Лагранжа Интегрировать значение функций в промежуточных точках с использованием формулы Лагранжа

выяснить причину, по возможности её устранить, либо выполнить упреждающие организационные мероприятия.

Следует иметь в виду, что методика предельных состояний располагает целой системой коэффициентов надёжности, основанных на статистической обработке многочисленных данных научных исследований и опыте эксплуатации натурных объектов строительства. Эта методика открыта для введения дополнительных мер безопасности.

В случаях когда отсутствуют проектные решения по динамике здания, для определения фактических величин контролируемых параметров СМИК, необходимо выполнить расчётно-теоретические и экспериментальные исследования с использованием математической и, по возможности, физической модели сооружения, а также натурного исследования в процессе его строительства и пуска в эксплуатацию.

Физическая модель, по мнению специалистов ОАО ЦНИИС и МГСУ, должна стать основой для обоснования концепции СМИК и математической модели несущего каркаса здания, особенно при решении динамических задач.

Таким образом, предлагается контролировать безопасность высотного здания двумя подсистемами:

1) подсистемой контроля осадок и деформаций;

2) подсистемой мониторинга ускорений, жесткости и частот (периодов) колебаний.

Для этого предлагается установить на главных частях здания станции с четырьмя типами датчиков: акселерометрами и наклономерами, GPS станциями и деформометрами.

На каждом уровне части устанавливается 4-5 станций: 4 по осям Х и У по периметру этажа и одна — ближе к центру здания.

Станции устанавливаются в глобальной системе координат, центр которой совпадает с проектным центром: 0, 0, 0.

1. Интерполяция по трем точкам.

Промежуточное значение ft, функции f, для которой известны значения в точках X0, X0 + h, X0 — h, определяется по формуле:

Коэффициенты этой формулы имеют вид:

tit1-1)

А

lm

(\ + R)(\-R)\{t-R)>

^=0: ±1).

2. Интерполяция по 4 точкам. Промежуточное значение функции для которой известны значение в точках Х0, Х0 + И, Х0 — И, Х0 — 2И, определяется по формуле:

.

Значение 1 обычно берутся от 0 до 1, т.е соответствуют точкам интервала от Х0 до Х1=Х0+ И. Коэффициенты формулы имеют вид:

Мониторинговый комплекс собирает поступающие данные с датчиков, интерпретирует их и передает в виде категорий технического состояния строительной конструкции на персональный компьютер оператора. Категории технического состояния могут определяться с помощью «Методики оценки и сертификации инженерной безопасности зданий и сооружений», разработанной в Федеральном центре науки и высоких технологий «Всероссийский научно-исследовательский институт по проблемам гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций» МЧС России.

Предлагаются следующие критерии для определения категории состояния здания:

I (нормальное, хорошее) — отклонение от вертикали (многоэтажные бескаркасные здания с несущими стенами из кирпича) 0,0024 высоты конструкции; увеличение периода собственных колебаний, относительно нормативных 0-10% (зелёный).

II (удовлетворительное) — отклонение от вертикали (многоэтажные бескаркасные здания с несущими стенами из кирпича) 0,0015 высоты конструкции; увеличение периода собственных колебаний, относительно нормативных 11-30% (жёлтый).

III (неудовлетворительное) — отклонение от вертикали (многоэтажные бескаркасные здания с несущими стенами из кирпича) 0,0010 высоты конструкции; увеличение периода собственных колебаний, относительно нормативных 31-60% (красный).

0

VO га ср

го га ср

QJ

X ^

и

CU т X

1 X CU н

I

0

1

т ^

га I

Литература

1. Р. Лайонс Цифровая обработка сигналов. — М.: «Бином», 2006.

2. А.П. Кулаичев Компьютерный контроль процессов и анализ сигналов. — М., НПО «Информатика и компьютеры, 1999.

3. В.И. Киреев, А.В. Пантелеев Численные методы в примерах и задачах. — М.: «Высшая школа», 2006.