Блог Шаблон

---

Электронный журнал

Предотвращение аварий зданий и сооружений

Мониторинг технического состояния несущих конструкций высотного здания

Здание высотой 97,5 м, возводимое в г. Москве, относится к высотным зданиям [1], имеет четыре подземных этажа для автостоянки, технический этаж и 24 жилых этажа. Первый и второй этажи являются нежилыми, на них располагается торговая зона. С 3 по 6 этаж – гостиница, с 7 по 26 этаж – апартаменты. Здание включает в себя шестиэтажную стилобатную часть, высотную часть с 7 по 27 этажи и пять подземных этажей. На минус первом подземном этаже, кроме въезда в подземную автостоянку, размещаются технические помещения. Здание разделено на пожарные отсеки по функциональным зонам, а также по вертикали – 14 этажом.

Конструктивно здание выполнено в виде железобетонного монолитного каркаса. Ограждением котлована является железобетонная конструкция, выполненная методом «стена в грунте» толщиной 600мм. Фундамент здания – монолитная железобетонная плита высотой 2000мм из бетона класса В25W8. Стены жесткости – монолитные железобетонные толщиной 250 и 400 мм из бетона класса В25. Каркас – монолитные железобетонные колонны из бетона класса В25. Перекрытия – безбалочные железобетонные монолитные из бетона класса В25 толщиной 250, 300 и 400 мм. Лестницы – монолитные железобетонные. Шахты лифтов – монолитные железобетонные. Стены надземной части – кирпичные толщиной 250 мм, утеплитель «Rockwoor» «Фасад-баттс» толщиной 150 мм, мембрана, воздушный зазор – 60мм, керамогранит – 20 мм. Ограждающие конструкции – дерево-алюминиевые блоки тройного остекления. Кровля – плоская, утепленная с продухом над жилыми помещениями, эксплуатируемая с внутренним водостоком.

Общий вид, разрезы и планы конструкций здания приведены на рис.1-5.

Рис. 1. Общий вид высотного здания

Рис. 2. Разрезы здания

Рис. 3. План конструкций минус пятого этажа на отм. -17.800 (верх фундаментной плиты) высотного здания

Рис. 4. План конструкций с 8 по 13 этажи на отм. 24.900-42.900 (ч.п.) высотного здания

Рис. 5. План конструкций 27 этажа на отм. 93.150 (ч.п.) высотного здания

Для достижения поставленных целей система мониторинга состояния инженерно-технических конструкций здания гостиничного комплекса (СМИК ГК) разделяется на две функциональные подсистемы мониторинга:

1. автоматическая сигнальная подсистема мониторинга;
2. автоматизированная подсистема внепланового, периодического мониторинга.

Автоматическая сигнальная подсистема мониторинга осуществляет:

1. автоматический в режиме реального времени мониторинг интегральных характеристик напряженно-деформированного состояния несущих конструкций здания;
2. автоматическое в режиме реального времени информирование персонала дежурно-диспетческой службы (ДДС) здания гостиничного комплекса и Единой системы оперативно-диспетчерского управления в чрезвычайных ситуациях (ЕСОДУ) г. Москвы о критическом изменении деформационного состояния несущих конструкций здания.

Автоматизированная подсистема внепланового, периодического мониторинга запускается по сообщениям (сигналам) от сигнальной подсистемы мониторинга или в соответствии с регламентом и осуществляет в автоматизированном режиме:

1. сбор и обработку требуемых для оценки состояния конструкций здания данных:
   • от сигнальной подсистемы СМИК ГК;
   • от геотехнического мониторинга, включая дополнительные инструментальные средства наблюдений за деформациями и перемещением конструкций здания и грунта;
   • путем ввода данных визуальных наблюдений;
2. обеспечение разработки и выдачи заключений о деформационном состоянии инженерно-технических конструкций (конструктивных элементов, несущих конструкций) здания и рекомендаций по обеспечению безопасности здания в соответствии с утвержденными в установленном порядке методиками.

На сигнальную подсистему мониторинга возлагается решение в автоматическом режиме реального времени следующих задач:

1. получение данных о динамических характеристиках и кренах от датчиков (акселерометров и наклономеров), установленных в критически важных точках конструкций здания;
2. обработка и анализ полученных данных с целью определения текущих интегральных характеристик состояния конструкций здания и сравнения их с соответствующими количественными критериями оценки состояния конструкций (динамическим паспортом) здания для установления допустимости и надежности нормальной эксплуатации здания;
3. информирование персонала ДДС здания и ЕСОДУ г. Москвы (через структурированную систему мониторинга и управления инженерными системами здания – СМИС ГК) о критически важном ухудшении текущих интегральных характеристик состояния конструкций объекта в сравнении с представленными в динамическом паспорте объекта.

На подсистему внепланового, периодического мониторинга возлагается в автоматизированном режиме решение следующих задач:

1. сбор требуемых для оценки состояния конструкций здания данных от акселерометров, наклономеров и геотехнического мониторинга, включая дополнительные инструментальные средства наблюдений за деформациями и перемещением конструкций здания и грунта, а также ввод данных визуальных наблюдений;
2. обработка полученных данных и обеспечение выдачи заключений о состоянии инженерно-технических конструкций (конструктивных элементов, несущих конструкций) здания и рекомендаций по обеспечению его безопасности, разработанных в соответствии с утвержденными установленным порядком методиками. (Указанные методики разрабатываются в ходе научно-исследовательских работ, проводимых на стадиях проектирования, ввода в действие и эксплуатации здания.)

В результате решения задач автоматической сигнальной подсистемы предусматривается подача дежурным службам сообщений по принципу семафора: «желтый», «красный», что позволяет им оперативно действовать в соответствии с разработанным регламентом по эвакуации, вызову специализированных организаций для проведения внепланового, периодического мониторинга.

Задачи автоматизированной подсистемы внепланового, периодического мониторинга решаются путем сбора, обработки и анализа данных о напряженно-деформированном состоянии несущих конструкций и последующего категорирования состояния инженерно-технических конструкций здания на основе полученной информации в соответствии со следующей градацией:

1. первая категория – проектное (нормальное) состояние;
2. вторая категория – ограниченно работоспособное (удовлетворительное) состояние;
3. третья категория – аварийное (неудовлетворительное) состояние.

Количественные критерии оценки технического состояния (категорий) определяются при разработке конструктивного раздела проекта здания и уточняются в процессе строительства и сдачи здания в эксплуатацию путем обследования динамического состояния строительных конструкций здания и/или на основании результатов других исследований, проводимых в рамках НИОКР по согласованию с Заказчиком.

Динамические характеристики здания, определяемые экспериментально при мониторинге изменения состояния инженерно-технических конструкций здания гостиничного комплекса, включают:

1. фактические амплитуды ускорения вынужденных колебаний;
2. основные частоты собственных колебаний;
3. собственные формы колебаний;
4. логарифмические декременты колебаний.

При вводе здания в эксплуатацию производят обследование динамического состояния его строительных конструкций для получения количественных критериев оценки состояния конструкций (динамического паспорта здания), устанавливающих допустимость и надежность нормальной эксплуатации здания.

Динамический паспорт здания служит эталоном, необходимым для обеспечения работы сигнальной подсистемы и подсистемы внепланового, периодического мониторинга. В результате обследования динамического состояния строительных конструкций уточняются матрицы параметров СМИК ГК для настройки сигнальной подсистемы на корректное определение опасных изменений значений динамических характеристик здания и для настройки подсистемы внепланового, периодического мониторинга на корректное определение категорий состояния.

Оценка напряжённо-деформированного состояния здания производится экспериментально-расчётным методом. Метод базируется на фундаментальных свойствах конструкции, заключающихся в связи ее жесткости и массы с параметрами собственных и вынужденных колебаний. Расчёты выполняются на конечно-элементной компьютерной модели, откалиброванной по экспериментально определяемым матрице передаточных функций, спектру собственных частот и формам колебаний.

При возникновении повреждений отдельных элементов конструкции в них происходит перераспределение внутренних усилий вследствие снижения жёсткости, в результате чего меняется матрица передаточных функций и формы колебаний здания, снижаются собственные частоты и увеличиваются амплитуды колебаний. Анализ этих явлений проводится путем установления взаимосвязи между вынуждающей силой и возникающими колебаниями.

Определение и исследование динамических характеристик здания осуществляются в три этапа:

1. создание динамической компьютерной модели здания с учётом исходных проектных данных;
2. экспериментальное определение динамических характеристик здания в естественных условиях (натурные динамические исследования). При этом осуществляется измерение колебаний конструкций, обусловленных непосредственным действием на здание пульсационной составляющей ветровой нагрузки, выполняется спектральный анализ колебаний, вычисляются передаточные функции между информационно-значимыми точками конструкции;
3. калибровка компьютерной модели по результатам натурных динамических исследований на базе совпадения расчётных и экспериментальных передаточных функций.

Откалиброванная динамическая компьютерная модель должна отражать фактическое состояние здания. Эта модель может использоваться для проведения расчётов в соответствии с действующей нормативной базой: на несущую способность; сейсмостойкость; ветровую; снеговую нагрузку; сочетания нагрузок; прогрессирующее обрушение.

В качестве расчетного метода анализа реакций здания на динамическое воздействие применяется математическое моделирование сооружения на основе метода конечных элементов (МКЭ). Для этих целей применяется какой-либо программный комплекс, например «SCAD» [2], основанный на методе МКЭ и способный производить исследование статических и динамических реакций МКЭ-модели на различные сочетания внешних воздействий.

Технология проведения мониторинга, реализуемая СМИК ГК, определяется принятой методикой контроля изменения состояния инженерно-технических конструкций здания и техническим обеспечением системы мониторинга. Важными составляющими технического обеспечения СМИК ГК являются применяемые средства измерения, принятая схема размещения измерительных пунктов в здании, средства автоматизации, специальное программное обеспечение, а также способы обработки, анализа полученных данных и информирования о результатах мониторинга персонала ДДС здания и ЕСОДУ г. Москвы.

Измерительные пункты СМИК ГК содержат следующие измерительные преобразователи: акселерометры (датчики ускорения) двух типов и датчики наклона (инклинометры).

В качестве измерительных преобразователей колебаний конструкций здания под действием динамических ветровых нагрузок (мониторинг интегральных характеристик напряженно-деформированного состояния инженерно-технических конструкций здания) применяют акселерометры, удовлетворяющие ряду требований:

1. число каналов (измеряемых компонент) 3 (X, Y, Z);
2. коэффициент преобразования, В•м-1•с2, не менее 0,3;
3. диапазон рабочих частот, Гц, не уже от 0,1 до 100;
4. неравномерность АЧХ в диапазоне рабочих частот, дБ, не более 3;
5. коэффициент нелинейных искажений при выходном напряжении 1В, %, не более 0,05.

Для определения критического изменения деформационного состояния инженерно-технических конструкций здания (мониторинг предаварийного и аварийного состояний здания, могущих привести к обрушению конструкций и гибели людей), применяют акселерометры, которые имеют следующие основные технические характеристики:

1. число каналов (измеряемых компонент) 3 (X, Y, Z);
2. коэффициент преобразования, В•м-1•с2, не менее 0,06;
3. верхняя граница диапазона рабочих частот, Гц, не менее 100;
4. рабочий диапазон, м-1•с2, не уже ±10.

Применяемые датчики наклона должны удовлетворять следующим основным требованиям:

1. число каналов (измеряемых компонент) 2 (X, Y);
2. коэффициент преобразования, мВ/углов. с, не менее 9;
3. рабочий диапазон измеряемых углов наклона, углов. с, не уже ±300.

Схема размещения измерительных пунктов в здании представлена на рис. 6 и 7. Измерительные пункты с акселерометрами устанавливаются на несущих конструкциях здания. Эти измерительные пункты оборудуют на каждом этаже вдоль двух вертикальных осей здания, разнесенных относительно центра плана здания. Таким образом, контроль напряженно-деформированного состояния здания осуществляют в двух точках каждого из 32 уровней.

Рис. 6. Схема размещения измерительных пунктов на планах конструкций минус 5-го (а – на отм. -17.800 (верх фундаментной плиты)) и 27-го (б – на отм. 93.150 (ч.п.)) этажей высотного здания

Рис.7. Схема размещения измерительных пунктов на разрезе конструкций высотного здания

Количество измерительных пунктов и места их расположения обеспечивают определение собственных форм горизонтальных колебаний здания в двух взаимно перпендикулярных направлениях, а также форм крутильных колебаний этажей здания в горизонтальной плоскости на низших собственных частотах.

Измерительные пункты с датчиками наклона располагают на самом нижнем (-5) подземном этаже здания и на верхнем этаже здания. Датчики наклона подземного этажа устанавливают в нишах в пяти точках фундаментной плиты симметрично по отношению к вертикальной оси здания на максимальном удалении от нее, но не ближе 2м от стен. Один измерительный пункт оборудуют в центре плана здания на пересечении его горизонтальных осей.

Направление измерительных осей датчиков ускорений и наклонов определяется главными осями конструкции здания.

Измерительные пункты СМИК ГК размещают в металлических закрывающихся на замок контейнерах, жестко соединенных с несущими конструкциями здания. При этом обеспечивают удобный доступ к датчикам и электронным узлам измерительных пунктов. Все измерительные пункты соединяют кабельной слаботочной линией связи с помещением ДДС здания, а каждый измерительный пункт снабжается индивидуальным сетевым адресом.

Мониторинг изменения состояния несущих конструкций здания осуществляет служба эксплуатации многофункциональных высотных зданий и комплексов с привлечением специализированной научно-исследовательской организации. Все величины, контролируемые при автоматическом непрерывном мониторинге, должны измеряться в режиме реального времени. Они являются основой для расчета и анализа динамических характеристик здания в зависимости от изменения состояния его инженерно-технических конструкций.

По результатам анализа динамических характеристик здания определяется категория состояния сооружения. Если динамические характеристики начинают выходить за установленные пределы, назначается внеплановый мониторинг с обязательным выявлением причины возникших отклонений и (при необходимости) корректировкой настроек системы.

При внеплановом и периодическом мониторинге проводится обследование здания в соответствии с порядком, установленным действующими нормативными документами. Периодический мониторинг проводится ежеквартально.

Результатом каждого мониторинга является заключение о состоянии инженерно-технических конструкций здания по следующим категориям:

1. проектное, когда контролируемые в процессе мониторинга динамические характеристики не превосходят значений, полученных расчетным путем при нормативных воздействиях;
2. ограниченно работоспособное, когда контролируемые динамические характеристики находятся в промежутке между значениями, полученными при нормативных воздействиях и при расчётных воздействиях. В этом случае подаются предупреждения о приближении серьёзной опасности, когда необходимо оперативно выяснить причину изменения состояния, по возможности её устранить либо выполнить упреждающие организационные мероприятия;
3. аварийное, когда контролируемые динамические характеристики достигают значений, соответствующих расчётным воздействиям, или превосходят их.

При всех видах мониторинга непрерывно в автоматическом режиме контролируется крен фундаментной плиты и верха здания, а также:

амплитуда ускорения вынужденных колебаний;

основные частоты собственных колебаний;

собственные формы колебаний;

логарифмические декременты колебаний.

При этом амплитуда ускорения вынужденных колебаний имеет высший приоритет. В случае превышения предельно допустимого значения амплитуды ускорения вынужденных колебаний автоматическая сигнальная подсистема мониторинга подает экстренное сообщение о серьёзной опасности («красный» сигнал семафора), прерывая сбор данных для вычисления других контролируемых динамических характеристик.

Библиографический список

1. МГСН 4.19.2005. Временные нормы и правила проектирования многофункциональных высотных зданий и зданий комплексов в г. Москве. М.:2005.
2. Вычислительный комплекс SCAD / В.С. Карниловский, Э.З. Криксунов, А.А. Маляренко, А.В. Перельмутер, Н.А. Перельмутер. 2004. –592 с.

<<Назад