CC BY
96
ИНЖЕНЕРНЫЕ ИЗЫСКАНИЯ И ОБСЛЕДОВАНИЕ ЗДАНИЙ. СПЕЦИАЛЬНОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 693:725.5
А.В. Патрикеев
ООО«ЦДМ»
СИСТЕМА ДИНАМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ИНЖЕНЕРНОГО СООРУЖЕНИЯ КАК КЛЮЧЕВОЙ ЭЛЕМЕНТ ЕГО ТЕХНИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
Рассмотрены результаты многолетних наблюдений и приведена экспериментальная зависимость частоты колебаний первого тона от времени для сложного инженерного сооружения, оснащенного динамическими гасителями колебаний. Выдвинута гипотеза о причинах изменения частоты колебаний инженерных сооружений от времени. Приведены результаты сравнения экспериментальных данных с критериями безопасности ГОСТ 31937—2011. Результаты сравнения свидетельствуют о технической безопасности объекта мониторинга. Предложено для технически сложных ответственных инженерных сооружений использовать системы динамического мониторинга для выявления на ранней стадии начала перехода объекта контроля в ограниченно работоспособное или аварийное состояние.
Ключевые слова: динамический мониторинг, здания и сооружения, обследование здания, техническое состояние, колебания, измерения, эксплуатация, гасители колебаний, паспорт сооружения, инженерное сооружение, техническая безопасность.
Мониторинг динамических параметров зданий и сооружений — динамический мониторинг — является важной составной частью общего мониторинга их технического состояния. Комплекс работ по периодическому контролю параметров колебаний зданий и сооружений проводится для таких объектов, как высотные здания и сооружения [1], а также уникальные сооружения — сложные и опасные в техническом плане инженерные объекты [2]. Заметное развитие получили исследования, направленные на повышение технической безопасности мостов [3], а также зданий и сооружений в сейсмически активных районах [4]. В новом ГОСТ 31937—2011 определены критерии, на основании которых здание или сооружение относится к категории уникальных.
Динамические параметры зданий (сооружений) характеризуют их динамические свойства, проявляющиеся при динамических нагрузках. Они включают в себя периоды и декременты собственных колебаний основного тона и обертонов, передаточные функции объектов, их частей и элементов и др. Особую важность приобретает контроль динамических параметров для зданий (сооружений), попадающих в зону влияния строек и природно-техногенных воздействий, либо находящихся в ограниченно работоспособном или аварийном состоянии [5].
Важнейшими характеристиками для оценки общего технического состояния зданий (сооружений), в т.ч. уникальных, являются динамические параме-
ВЕСТНИК
3/2014
тры всего объекта или его составных частей, периодически контролируемые и фиксируемые в специальном документе — паспорте здания (сооружения). Составление такого паспорта предусматривается межгосударственным стандартом ГОСТ 31937—2011. Стандарт, в т.ч. регламентирует работы по общему мониторингу технического состояния зданий (сооружений). Общий мониторинг может осуществляться в несколько этапов, значительно разнесенных по времени. При общем мониторинге, как правило, не проводят обследование состояния здания (сооружения) в полном объеме.
На каждом этапе работ, выполняемом периодически (через два года), производятся повторные измерения динамических параметров. В соответствии с ГОСТ 31937—2011, сооружение подлежит внеплановому обследованию с целью возможного выявления ограниченно работоспособной или аварийной категории его технического состояния, если на очередном этапе мониторинга выявляется отклонение контролируемого параметра более, чем на 10 % от исходного.
Назовем основными динамическими параметрами значения частот / и логарифмических декрементов затухания 5. колебаний основных (наиболее энергичных) колебательных процессов, возникающих у сооружения под воздействием эксплуатационных нагрузок. При этом логарифмический декремент затухания рассматривается как мера диссипации упругой энергии для данного тона колебаний.
Критерием обеспеченности механической безопасности при эксплуатации конструкции здания (сооружения) в целом является неизменность параметров /. и 5., вычисляемых по данным электронных архивов колебаний, регистрируемых с определенной периодичностью при однотипных условиях эксплуатационных воздействий.
Для любого здания или сооружения, рассматривая его как сложную динамическую систему, на протяжении всего периода эксплуатации можно предположить следующую зависимость, например, частоты первого тона колебаний /1 от времени [6]. По оси абсцисс — время Т в годы, а по оси ординат — частота /1 (рис. 1).
II
III
—
Т,|. «1.1«
Рис. 1. Изменение частоты колебаний за период эксплуатации
Весь период эксплуатации можно разделить на три основных этапа. На этапе I происходит некоторое снижение контролируемой частоты колебаний /. Это связано с «приработкой» конструкции: выборкой зазоров (люфтов) в соединениях, притиркой пар трения, в т.ч. непроектных, релаксацией напряжений в зонах концентрации, некоторым перераспределением нагрузок в элементах системы, связанных с неточностями изготовления и монтажа. На этом этапе график зависимости частоты от времени имеет вид ниспадающей кривой, асимптотически приближающейся к некоторому постоянному значению, характеризующему неизменность исследуемого параметра со временем в основной период эксплуатации сооружения.
Этап I существенно мал в сравнении с общим сроком эксплуатации для различных зданий (сооружений) или несущих конструкций он может составлять от нескольких суток до нескольких месяцев.
Этап II представляет собой период нормальной эксплуатации, при котором, как видно из графика, частота колебаний/1 остается неизменной.
Наконец, этап III представляет собой период, когда постепенные изменения конструкционных свойств элементов и узлов начинают приводить к их необратимым изменениям. Такие явления, как изменение шарнирности сопряжений в узлах фермы, перераспределение усилий вантовой системы, отрыв элементов, срез болтовых соединений, постепенно приводят к изменению динамической схемы и, как правило, к уменьшению общей жесткости конструкции, которое может быть обнаружено по снижению контролируемой частоты колебаний /1.
Для того чтобы на практике получить зависимость, подобную приведенной на рис. 1, необходимо проведение многолетнего динамического мониторинга сооружения непосредственно от момента завершения строительства и на протяжении всего срока его эксплуатации. К сожалению, по целому ряду причин, в т.ч. экономических, осуществить это не удается. Как правило, динамический мониторинг сооружения на практике сводится к процессу контроля неизменности частоты колебаний/1 на небольшом отрезке времени, целиком расположенном внутри этапа II, а потому такие исследования мало информативны.
Тем более уникальным следует признать опыт динамического мониторинга основных металлоконструкций главного монумента памятника Победы на Поклонной горе в г. Москве. Главный монумент представляет собой высотное сооружение, обладающее различными видами аэродинамической неустойчивости в ветровом потоке, вследствие того, что его конструкция полностью определена художественным замыслом архитектора.
Общий вид главного монумента в целом и скульптурной группы с гасителем колебаний массой 10 т приведен на рис. 2.
Сооружение состоит из нескольких основных частей: стела высотой 142 м, представляющая собой стальную трехгранную ферму, зашитую облицовочными панелями на промежуточном стальном каркасе;
скульптурная группа богини Ники с амурами, представляющая собой плохо обтекаемые сплошные фигуры сложной формы в виде облицовочных листов на стальном каркасе, прикрепленном к основному каркасу стелы между отметками 110 и 125 м, эксцентриситет центра масс скульптурной группы относительно оси стелы составляет 7,2 м;
ВЕСТНИК
3/2014
механизм динамического гасителя первого тона изгибных колебаний массой 10 т, установленный с внешней стороны стелы в зоне скульптурной группы;
механизм динамического гасителя первого тона крутильных колебаний массой 3 т, установленный внутри скульптурной группы.
Рис. 2. Общий вид главного монумента (а) и его скульптурная группа с гасителем колебаний (б)
При эксплуатации сооружения, оснащенного механическими гасителями для снижения интенсивности колебаний под действием эксплуатационной нагрузки, как правило, предъявляются дополнительные требования по периодическому контролю (мониторингу) частот и декрементов затухания колебаний различных компонентов динамической системы [7].
Главный монумент является уникальным объектом, в т.ч. и потому, что периодический мониторинг частоты колебаний первого изгибного тона /1 производится для него периодически с момента постройки в 1995 г. и по настоящее время. На рис. 3 приведен график изменений частоты/ являющийся результатом многолетних исследований.
Определение частоты первого тона собственных изгибных колебаний на начальном этапе наблюдений производилось по результатам динамических испытаний (сброс нагрузки путем установки тарированной вставки в канат-оттяжку, затем — испытания с использованием пневматического возбудителя резонансных колебаний). Последующие динамические архивы были получены в ходе воздействия на сооружение эксплуатационной ветровой нагрузки в различных скоростных диапазонах.
Несмотря на различие способов получения динамических архивов и особенностей их обработки на различных этапах многолетнего мониторинга частоты/ на рис. 3 отчетливо выделяются этапы I и II в соответствии с предложенной гипотетической зависимостью (см. рис. 1).
Рис. 3. Результаты многолетнего мониторинга частоты главного монумента и критерии ГОСТ 31937—2011
Кроме того, на рис. 3 нанесены 10%-е критерии контроля по ГОСТ 31937— 2011, вычисленные исходя из первоначально измеренной частоты /1 = 0,190 Гц. Хорошо видно, что эти критерии полностью удовлетворяются.
Следует отметить, что конструкция гасителей колебаний, установленных на главном монументе, допускает их подстройку по частоте и демпфированию в процессе эксплуатации. В ходе реконструкции гасителей колебаний, выполненной по итогам начального периода эксплуатации сооружения (характерная «ступенька» на графике), за счет перераспределения масс вблизи вершины сооружения, где наблюдаются наибольшие амплитуды колебаний и где такие действия наиболее эффективны, контролируемая частота сместилась в сторону первоначально измеренной, после чего продолжала оставаться стабильной [8].
Результаты многолетнего мониторинга частоты первого тона изгибных ко -лебаний главного монумента и их соответствие критериям ГОСТ 31937—2011 позволяют сделать вывод о механической безопасности данного сооружения в целом.
В данном случае контролируемая частота /1 может служить обобщенной характеристикой надежности данного сооружения А. Если представить в виде графика зависимость А(ТГ), где ТГ — время, в годы, то такой график повторит форму графика, приведенного на рис. 1 (кроме этапа I), с точностью до масштабного коэффициента по оси ординат. 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. При выявлении тенденции к изменению такого параметра в ходе очередного этапа экспресс-диагностики может быть принято решение о проведении комплексного обследования здания (сооружения) [9].
ВЕСТНИК .
МГСУ_3/2014
Опыт многолетнего мониторинга частоты /1 главного монумента также свидетельствует об этом. Если в ходе динамического мониторинга уверенно определяется переход от этапа I к этапу II (в соответствии с гипотетической зависимостью, приведенной на рис. 1), значит, аналогичные наблюдения позволят выявить в процессе эксплуатации сооружения начальную фазу его перехода от этапа II к этапу III, зафиксировав начало серьезных необратимых изменений.
Таким образом, система динамического мониторинга сооружения становится ключевым элементом его технической безопасности.
Чем более сложным в техническом плане является объект контроля, чем более высокие требования предъявляются к безопасности его эксплуатации, тем больше необходимость в таком периодическом контроле. ГОСТ 31937— 2011 регламентирует для категории уникальных зданий (сооружений) использование автоматизированных стационарных систем (станций), выполненных по специально разработанному проекту. Правила проектирования и установки стационарных систем (станций) мониторинга технического состояния уникальных зданий и сооружений регламентирует новый межгосударственный стандарт ГОСТ 32019—2012. Обязательным компонентом системы мониторинга уникального сооружения является постоянный контроль наиболее информативных параметров. Во многих случаях такими информационными параметрами являются, в первую очередь, частоты/. и логарифмические декременты затухания 5. основных колебательных процессов, возникающих у сооружения в ходе его эксплуатации.
Библиографический список
1. Шаблинский Г.Э. Мониторинг уникальных высотных зданий и сооружений на динамические и сейсмические воздействия. М. : Изд-во АСВ, 2013. 328 с.
2. Новак Ю.В., Виноградова О.А., Соломенцев М.Е. Динамические методы испытания мостовых конструкций и уникальных сооружений // Транспортное строительство. 2009. № 7. С. 2—4.
3. Методические рекомендации по вибродиагностике автодорожных мостов / Росавтодор. М., 2001. 25 с.
4. Капустян Н.К. Сейсмобезопасность: обобщение опыта мониторинга зданий и сооружений // Проектирование и инженерные изыскания. 2012. № 4 (18). Режим доступа: http://www.acdjournal.rU/Priz%2018/3/p.html.
5. Мониторинг состояния зданий / Центр технических обследований ООО «ИСТ». Новосибирск : 2012. Интернет-ресурс. Адрес доступа: http://toist.ru. Дата обращения: 13.12.13.
6. 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.
7. Остроумов Б. В. Увеличение общего демпфирования высотных сооружений при установке на них динамических гасителей колебаний с затуханием // Монтажные и специальные работы в строительстве. 2005. № 9. С. 22—24.
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 : XI науч.-практич. конф. 27—28.09.2007. М., 2007. С. 82.
9. Патрикеев А.В., Салатов Е.К. Основы методики динамического мониторинга деформационных характеристик зданий и сооружений // Вестник МГСУ 2013. № 1. С. 133—138.
Поступила в редакцию в декабре 2013 г.
Об авторе: 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].
Для цитирования: Патрикеев А.В. Система динамического мониторинга инженерного сооружения как ключевой элемент его технической безопасности // Вестник МГСУ 2014. № 3. С. 133—140.
A.V. Patrikeev
DYNAMIC MONITORING OF ENGINEERING STRUCTURES AS A KEY ELEMENT OF ITS TECHNICAL SECURITY
On an example of a complex engineering structure with aerodynamically unfavorable constructive form, equipped with mechanisms dampers, the results of long-term observations of the oscillation frequency under the influence of wind loads were reviewed. The experimental dependence of the first tone oscillation frequency on time for this structure is shown.
The hypothesis on the causes of frequency oscillations change in engineering structures in time is proposed. The experimental data confirms this hypothesis.
The results of a comparison of the experimental data for long-term observations with the oscillation frequency in accordance with the safety criteria of GOST 31937— 2011 "Buildings and Constructions. Rules of inspection and monitoring of the technical condition" are shown. It has been shown that the results of comparison indicate technical safety of the whole object.
It is offered to use dynamic monitoring systems for technically complex heavy-duty engineering structures for early detection of the transition beginning of the control object to the limited functional or emergency condition.
Key words: dynamic monitoring, methods, building and structure, building inspection, technical condition, oscillations, measurement, exploitation, dampers, construction certificate, engineering structure, technical security.
References
1. Shablinskiy G.E. Monitoring unikal'nykh vysotnykh zdaniy i sooruzheniy na dinami-cheskie i seysmicheskie vozdeystviya [Monitoring of Unique High-rise Buildings and Structures for the Dynamic and Seismic Effects], Moscow, ASV Publ., 2013, 328 p.
2. Novak Yu.V., Vinogradova O.A., Solomentsev M.E. Dinamicheskie metody ispytaniya mostovykh konstruktsiy i unikal'nykh sooruzheniy[Dynamic Test Methods of Bridge Structures and Unique Structures]. Transportnoe stroitel'stvo [Transport Construction]. 2009, no. 7, pp. 2—4.
3. Metodicheskie rekomendatsii po vibrodiagnostike avtodorozhnykh mostov [Guidelines for Highway Bridges Vibrodiagnostics]. Moscow, Rosavtodor Publ., 2001, 25 p.
4. Kapustyan N.K. Seysmobezopasnost': obobshchenie opyta monitoringa zdaniy i sooruzheniy [Seismic Safety: Summarizing the Experience of Monitoring of Buildings and Structures]. Proektirovanie iinzhenernye izyskaniya [Design and Engineering Surveys]. 2012, no. 4 (18). Available at: http://www.acdjournal.ru/Priz%2018/37p.html.
5. Monitoring sostoyaniya zdaniy [Monitoring of Building Condition]. Tsentr tekhnicheskikh obsledovaniy OOO «1ST». [Technical Survey Center LLC «1ST»]. Novosibirsk, 2012. Available at: http://toist.ru. Date of access: 13.12.13.
ВЕСТНИК .
МГСУ_3/2014
6. 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 for the Safe Exploitation]. Tekhnologicheskie problemy prochnosti: Materialy 18 Mezhdunarodnogo seminara [Collected Works of the 18th International Seminar «Technological Problems of Strength»]. Podol'sk, 2011, pp. 78—81.
7. Ostroumov B.V. Uvelichenie obshchego dempfirovaniya vysotnykh sooruzheniy pri ustanovke na nikh dinamicheskikh gasiteley kolebaniy s zatukhaniem [Increase of the Total Damping of High-rise Buildings when Installing Dynamic Vibration Absorbers with Damping]. Montazhnye i spetsial'nye raboty v stroitel'stve [Mounting and Special Works in Construction]. 2005, no. 9, pp. 22—24.
8. Patrikeev A.V. Povyshenie urovnya bezopasnosti inzhenernykh sooruzheniy na pri-mere 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 goro-dskoy sredy: 11 nauchno-prakticheskaya konferentsiya. 27—28.09.2007 [Problems of the Urban Environment Quality Management. Collected works of the 11th Scientific and Practical Conference «Problems of Quality Management of the Urban Environment»]. Moscow, RAGS Publ., 2007, p. 82.
9. Patrikeev A.V., Salatov E.K. Osnovy metodiki dinamicheskogo monitoringa deforma-cionnykh kharakteristik zdaniy i soorzhjeniy [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.
About the author: 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.
For citation: Patrikeev A.V. Sistema dinamicheskogo monitoringa inzhenernogo sooru-zheniya kak klyuchevoy element ego tekhnicheskoy bezopasnosti [Dynamic Monitoring of Engineering Structures as a Key Element of its Technical Security]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2014, no. 3, pp. 133—140.
