Реферат: Мониторинг напряженно-деформированного состояния несущих конструкций высотных зданий

мониторинг напряженно-деформированного

состояния несущих конструкций высотных зданий


Гурьев В.В., зам. директора по научной работе, д.т.н., проф.,

Дорофеев В.М., рук. отдела мониторинга и комплексного обследования зданий и сооружений, канд. физ.-мат. наук (ГУП МНИИТЭП)


Высотные здания относятся к категории объектов города, аварийное состояние которых может привести к катастрофическим последствиям, поэтому на каждом здании должна быть реализована комплексная система безопасности. Одним из важнейших элементов этой системы являются меры по раннему выявлению возможности обрушения здания под воздействием природно-техногенных воздействий, и, особенно, таких как ветровые нагрузки, промышленная динамика, изменения в грунтовых условиях под объектом.

В связи с этим важнейшей проблемой безопасной эксплуатации высотных зданий является контроль напряженно-деформированного состояния их несущих конструкций. В эксплуатируемом многофункциональном высотном здании, доступ к большей части несущих конструкций существенно ограничен, поэтому возникают определенные трудности контроля состояния этих конструкций с помощью традиционных методов визуального и инструментального обследования. Кроме того в отличии от зданий меньшей этажности, в которых деформирование несущих конструкций связано в основном с неравномерностью просадок различных частей здания, в высотных − существенное влияние на напряженно-деформирован-ное состояние несущих конструкций оказывают наклоны и ветровые нагрузки, что создает большую рассеянность мест накопления деформационных повреждений в этих конструкциях.

Современные методы определения категории деформационного (технического) состояния конструкций зданий [1], основанные на традиционном их обследовании и успешно используемые для обычных зданий и сооружений, экономически малопригодны для высотных зданий в силу их чрезмерной трудоемкости и высокой стоимости выполнения большого объема обследований.

В связи с этим для высотных зданий возникает необходимость выявления изменений напряженно-деформированного состояния конструкций и локализации мест такого изменения с использованием других методов, позволяющих автоматизировать процесс измерений. Для выявления изменений напряженно-деформированного состояния конструкций уже достаточно давно [2] и особенно в последние 10 – 15 лет используются динамические методы зондирования зданий и сооружений [3 - 5], основанные на измерении периодов и логарифмических декрементов собственных колебаний зданий и сооружений.

Следует отметить, что эти методы, эффективные для обычных зданий, мало пригодны для высотных. Дело в том, что с увеличением количества этажей, т. е. высоты здания, вклад изменения напряженно-деформированного состояния, какой либо его части в величины периодов и логарифмических декрементов собственных колебаний становится все меньше и меньше. Поэтому требуются более точные измерения периодов собственных колебаний здания, точность которых связана с достаточно большим количеством ограничивающих факторов: уровнем динамического воздействия, вызывающего собственные колебания здания; точностью повторной установки приборов вдоль осей здания; погодными условиями во время измерений; уровнем и частотным составом динамического шума во время измерений; методами выявления периодов и логарифмических декрементов колебаний из полученных записей и др. Кроме того, даже выявленные изменения в периодах и логарифмических декрементах колебаний, свидетельствуют лишь о том, что необходимо проводить традиционное обследование всего здания и определять где и что изменилось в конструкциях и опасно ли это изменение для эксплуатации здания. Эта методика не позволяет локализовать места изменения напряженно-деформи-рованного состояния конструкций здания.

В ГУП МНИИТЭП разработана методика динамического зондирования и ранней диагностики деформационного состояния несущих конструкций, основанная на анализе изменения передаточных функций, построенных для различных по высоте участков здания [6]. Эта методика применима и для протяженных в плане зданий, в этом случае передаточные функции строятся для различных участков здания вдоль протяженной оси. Под передаточной функцией части здания понимается отношение компонент спектров мощности зарегистрированных сигналов в двух точках здания, а именно в месте динамического воздействия, заданного в виде широкополосного импульса, и в месте регистрации отклика этого воздействия, прошедшего через рассматриваемую часть здания. Такая передаточная функция характеризует напряженно-деформированное состояние конструкций именно в той части здания, через которое прошел заданный широкополосный импульс. Изменение передаточной функции (изменение величин коэффициентов усиления для различных частот) свидетельствует об изменении напряженно-деформированного состояния конструкций именно в этой части здания. Таким образом, удается не только выявить изменение напряженно-деформированного состояния конструкций здания, но и локализовать место такого изменения в пределах количества этажей здания (для случая вертикального расположения точек измерения) межу соседними точками измерения. Для высотных зданий целесообразно производить измерения через каждые пять этажей, ограничивая область локализации изменения напряженно-деформированного состояния в пределах данной этажности, где при необходимости потребуется проводить традиционное обследование и выяснять степень опасности изменения напряженно-деформированного состояния конструкций.

На основании рассмотренного метода ГУП МНИИТЭП совместно с Российской инженерной академией, ООО «Сервиспрогресс» и ЗАО «Стройтехноинновация» разработана стационарная автоматизированная станция мониторинга деформационного состояния строительных конструкций высотных зданий. Станция разработана с применением современных высоких технологий и требований эргономики, обладает высокой надежностью, безопасностью, точностью и чувствительностью наблюдений в широком динамическом и частотном диапазонах.

Модульная структура станции позволяет наращивать ее конфигурацию в зависимости от объекта. Станция обладает повышенной живучестью в аварийных ситуациях за счет устойчивости к перегрузкам и наличия автономного питания. В станции используются следующие элементы (рис. 1):

измерительные пункты (1), устанавливаемые на несущих конструкциях различных этажей высотного здания, с датчиками для регистрации ускорений колебания конструкций, расположенные на одной вертикальной прямой вблизи центра масс здания (возможна другая конфигурация в зависимости от конфигурации высотного здания). Датчики обеспечивают высокочувствительные измерения ускорений колебаний здания (от 10-5 м/с2) по трем ортогональным компонентам в полосе частот от 0.5 до 50 Гц, в динамическом диапазоне до 120 дБ при частоте дискретизации сигнала 400 Гц/канал. Интеллектуальные возможности датчиков предусматривают самотестирование и автокалибровку каналов измерения, аналого-цифрового преобразователя, питающих напряжений и оценку работоспособности датчика перед каждым сеансом регистрации; программное включение и выключение конкретных датчиков по требованию программы;

измерительные пункты (2), устанавливаемые на несущих конструкциях нижнего подземного этажа высотного здания, с датчиками для регистрации кренов здания. Датчики обеспечивают измерения углов наклона в диапазоне ±300″ при точности измерения ±3″, имеют устройство автоматической температурной компенсации и устойчивы к механическим динамическим воздействиям. Средняя наработка на отказ — 10 000 часов;

место централизованного сбора информации станции (3). Технические средства центра сбора информации содержат персональный компьютер и адаптер, обеспечивающий ввод цифровых данных датчиков в компьютер;

система связи (4) между измерительными пунктами и местом централизованного сбора информации. Система связи обеспечивает передачу данных датчиков (общим числом до 32) в центр сбора по двухжильной коммуникационной линии в стандарте интерфейса RS-485.

Программные средства станции включают управляющую программу, пользовательский графический интерфейс и средства цифровой интерактивной обработки.

Управляющая программа обеспечивает работоспособность и функционирование станции в целом. В задачи управляющей программы входят инициализация и подготовка технических средств станции к работе; конфигурирование и тестирование системы; управление вводом цифровой информации в персональный компьютер.

Пользовательский интерфейс программы обеспечивает удобное графическое представление многоканальной информации в режиме реального времени и обеспечен комфортной справочной системой и контекстной помощью. У оператора, проводящего обработку и анализ зарегистрированной информации, есть широкий выбор инструментов для документирования, архивирования и конвертации данных.

Цифровая обработка включается в себя два основных этапа: этап предварительной обработки зарегистрированных сигналов с целью улучшения соотношения сигнал/шум и выделения полезной части сигнала, включающий в себя такие алгоритмы, как нормирование, деконволюция, полосовая фильтрация, и спектральный анализ и расчет основных динамических параметров зарегистрированных сигналов.

Программа написана на языках WinAPI и С++ и объединяет 19 подпрограмм обработки и управления в пакет под общим названием ПРДП. Программное обеспечение раз-работано для WINDOWS 2000 и WINDOWS XP;

Синхронная регистрация колебаний всех датчиков позволяет анализировать поведение конструкций здания при динамических воздействиях, включая ветровые нагрузки. Раздельная регистрация прохождения задаваемого последовательно на различных этажах здания широкополосного импульса в нескольких измерительных пунктах позволяет строить и анализировать передаточные функции тех частей здания, в которых расположены эти пункты.

На станции осуществляется также контроль общего наклона здания и его частей. В первые три года мониторинг изменения напряженно-деформированного состояния несущих конструкций высотных зданий следует проводить 2 – 3 раза в год, а в последующие периоды эксплуатации — один раз в год.

Предложенная методика положена в основу обеспечения конструктивной безопасности высотных зданий и подготовленные в настоящее время МГСН 4.19-05 «Многофункциональные высотные здания и комплексы» предусматривают в обязательном порядке установку стационарных станций мониторинга основных несущих конструкций зданий.

В соответствии с совместным распоряжением Правительства Москвы и Госстроя России № 19/2195-РП от 28 ноября 2003 г. «О разработке нормативов для проектирования, строительства и эксплуатации высотных зданий» ГУП МНИИТЭП разрабатывает нормативный документ по эксплуатации многофункциональных высотных зданий и комплексов, в котором сформулированы основные требования к мониторингу напряженно-деформационного состояния несущих конструкций.

1 Эксплуатационный мониторинг несущих конструкций многофункциональных высотных зданий и комплексов необходим для обеспечения безопасности функционирования таких зданий и является основой эксплуатационных работ, требующихся в многофункциональных высотных зданиях и комплексах.

2 В качестве элемента контроля и ранней диагностики деформационного состояния несущих конструкций высотного здания обязательна установка стационарной станции мониторинга деформационного состояния конструкций здания. Станция должна обеспечивать в автоматизированном режиме (при проведении периодических измерений) выявление изменения напряженно-деформированного состояния конструкций и локализацию мест такого изменения в конструкциях, а также давать информацию о наклонах здания.

3 После выявления мест изменения напряженно-деформированного состояния конструкций осуществляется обследование этих частей высотного здания и по результатам обследования делаются выводы о деформационном состоянии конструкций, причинах изменения их напряженно-деформированного состояния и необходимости принятия каких либо мер по восстановлению или усилению конструкций.

4 В качестве дополнительного элемента контроля аварийных ситуаций несущих конструкций высотного здания, в основном связанных с динамическими перенапряжениями элементов несущих конструкций, целесообразна установка системы датчиков, настроенных на предельные значения деформаций и наклонов, подающих необходимые сигналы в диспетчерскую высотного здания и систему ГОЧС Москвы.

Таким образом, нормы, являющиеся обязательными для всех форм собственности и реализующие предложенную методику мониторинга напряженно-деформированного состояния несущих конструкций высотных зданий, позволят обеспечить диагностику изменения напряженно-деформированного состояния конструкций на ранней стадии, локализовать места такого изменения и экономически эффективно обследовать локализованные участки конструкций для выяснения причин изменений, определения степени опасности таких изменений и при необходимости принятия мер по устранению выявленных негативных тенденций.

Следует отметить также, что разработанная станция мониторинга деформационного состояния строительных конструкций зданий позволяет службам эксплуатации высотных зданий получать информацию: для анализа динамического поведения зданий как при динамических воздействиях со стороны грунта, так и при ветровых нагрузках; для контроля уровня поэтажных колебаний (отклонений от исходной вертикальной оси) объекта; для анализа кренов различных частей фундамента здания.

В соответствии с обязательным приложением 3.2 «Стационарная станция мониторинга» МГСН 4.19-05 ГУП МНИИТЭП разработал проект такой станции для 56-ти этажного здания Многофункционального административно-делового комплекса по адресу: Краснопресненская наб. 18 (ММДЦ Москва-Сити, участок № 10, блок «С»).

Станция состоит из основных частей, функциональные характеристики, которых определяются их назначением – аппаратурно-измерительной части и компьютерно-информа-ционного центра.

В аппаратурно-измерительную часть входят следующие компоненты:

Одиннадцать цифровых трехкомпонентных, модульного исполнения акселерометров ЦТА-СМ, предназначенных для одновременной и раздельной записи ускорений колебаний несущих конструкций здания по трем взаимно ортогональным направлениям, размещенных в стационарных пунктах наблюдений. Трехкомпонентные акселерометры стационарно смонтированы и одинаково ориентированы на одной вертикальной оси в стене ЛЛУ ядра жесткости здания (рис. 2 – 3).

На последнем верхнем уровне здания установлен цифровой трехкомпонентный сейсмометр ПРДП для определения амплитуды, периода и логарифмического декремента основного тона собственных колебаний здания в трех ортогональных направлениях.

На фундаментной плите установлены шесть цифровых двухкомпонентных наклономеров ЦНД-1 для измерения наклонов основания здания. Четыре наклономера располагаются в крайних точках, на взаимно перпендикулярных осях здания, пятый и шестой – в центре (рис. 4).

Все приборы соединены с компьютерно-информационным центром единым кабелем типа «витая пара» через разделительные коробки.






Рис. 1 Схема расположения измерительных пунктов станции мониторинга деформационного состояния строительных конструкций зданий ( ● − измерительный пункт, в котором производятся трехкомпонентные измерения ускорений; ○ − измерительный пункт, в котором производятся измерения наклонов здания).