CC BY
149
Научно-технические разработки
УДК 614.8
Г.М. Нигметов к.т.н.
ПРОБЛЕМЫ МОНИТОРИНГА ИНЖЕНЕРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
В статье дается обоснование преимущества метода диагностических испытаний и приводятся особенности его применения на практике
Г.М. Нигметов
Огромное количество случаев катастрофического обрушения зданий, происходящих в последние годы во всех странах независимо от уровня их развития, говорит об острейшей необходимости применения новейших технологий диагностики и мониторинга зданий и сооружений.
Наиболее существенным недостатком в области диагностики и мониторинга зданий является отсутствие технологий, обеспечивающих интегральную оценку системы грунт-здание в трехмерной динамической постановке.
Существующие подходы диагностики носят локальный, разрушающий характер и основываются, в первую очередь, на визуальном и прочностном контролях с отбором проб материала и изучением конструктивного исполнения отдельных конструктивных элементов путём вскрытия узлов, защитных слоев и отрывкой шурфов для изучения строения фундаментов. Понятно, что производя локальный контроль, то есть концентрируясь на частностях, можно не уяснить главный механизм и причины уязвимости объекта к воздействию возможных нагрузок. Такой же локальный подход существует при проектировании зданий, то есть грунты и фундаменты рассматриваются отдельно от самого здания, нет единого подхода по расчёту системы грунт-здание как единой системы.
По нашему мнению, идеальной схемой диагностики является воспроизведение на реальном объекте с реальными грунтовыми условиями воздействия проектируемых нагрузок, либо долей этих нагрузок с пропорциональным их увеличением, или уменьшением в пределах чувствительности аппаратуры. Схема постановки такого эксперимента приведена на рис. 1.
Известно, что наиболее опасными и слабо изученными нагрузками являются динамические нагрузки. В первую очередь самыми опасными для зданий из динамических нагрузок являются сейсмовзрывные
Рис. 1. Схема эксперимента системы грунт-здание
нагрузки. В существующих научных подходах для идеальных сред хорошо представляются закономерности распространения энергии в пространстве и во времени в зависимости от энергии в очаге.
На практике важно выделить весь предполагаемый перечень нагрузок с учетом влияния сред и провести правильное планирование эксперимента с точным определением мест расстановки датчиков от нагрузок до отдельных конструктивных элементов. Как возможно моделирование динамических нагрузок? Сейсмические нагрузки можно моделировать воздействием на грунтовый массив у здания и воздействием динамической нагрузки непосредственно на здание и его отдельные конструктивные элементы. Моделирование сейсмических нагрузк на грунтовый массив возможно воздействием:
1) ударами или сбрасыванием с высоты тяжелых грузов, весом от 16 кг и более (проведённые опыты показывают возможность воздействия таким образом на здание). На рис. 2 приведены акселерограммы, полученные на различных этажах здания, расположенного на слабых грунтах, при воздействии нагрузки на грунт. Достоинством метода является его компактность, безопасность, возможность явного учёта влияния грунтового массива. Недостатком метода является невозможность явного изменения параметров нагрузки;
2) ударами или возбуждением мягким грузом (в основном производится возбуждение верхних эта-
жей здания). Типовые примеры отклика здания на такое динамическое возбуждение представлены на рис. 3. Надо отметить, что был случай мягкого возбуждения боксерской грушей грунтовой плотины, при котором были получены динамические характеристики плотины близкие к расчётным. Повторные испытания, выполненные на следующий год, показали изменения динамических параметров, что дало возможность установить степень износа плотины за один год. Достоинством метода является его компактность и безопасность. Недостатками являются: не явный учёт влияния грунтового массива; создание однотипных, без возможности их изменения, импульсных нагрузок;
3) динамическое возбуждение специальными управляемыми вибраторами. Принцип действия вибраторов основан на использование электрической, гидравлической и пневматической энергии, за короткое время выделяемой на объекты воздействия. К достоинствам этих методов относится возможность модельного создания различных по амплитуде и характеру изменения во времени нагрузок. К недостаткам - сложность, опасность и громоздкость оборудования.
Измерение параметров динамического воздействия производится путем расстановки высоко чувствительных датчиков ускорения (скорости) и перемещения на контролируемых точках.
Паїчмк 1
* ;
І I
ї .. Р і ! .
О 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Даічмк 2
! Т
і
? | ?
........... ■■■-■ ■ ....... ...... ... .........................................., ....... ■
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Іаічмк 3
Научно технические разработки
б)
Рис. 2. Акселерограммы, полученные на этажах зданий а) акселерограммы сейсмоволны; б) спектр
Частота, Гц
а)
Интерпретация полученных динамических дан- динамических параметров с проектными или расчетных самое трудное в диагностике. Наиболее отрабо- ными данными, а также получение эпюр свободных танным способом является сравнение полученных колебаний и сравнение их с нормальными эпюрами.
б)
Время измерения, сек
Датчик 1
О 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 3 1 4 15 1 6 1 7 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50
Даічик 2
О 1 2 3 4 5 б 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50
Частота, Гц
в)
Рис. 3. Динамическое возбуждение зданий а) — схема эксперимента; б) — акселерограмма; в) — спектр
Научно технические разработки
Научно технические разработки
Возможно также применение метода сравнения динамических параметров одинаковых по конструктивному и объемно-планировочному исполнению объектов, например, однотипных зданий, однотипных конструктивных элементов. При этом важно учитывать такие факторы: тип грунтов, срок службы, степень износа и т.д.
Вернемся к вопросу получения нормативных динамических параметров здания.
Здесь возможны следующие способы:
1) экспериментальный - по результатам динамических испытаний многих однотипных зданий или конструктивных элементов выделяются основные тона свободных колебаний, декременты затуханий и выбираются средние минимальные значения, которые принимаются за нормативные;
2) инженерный - используются инженерные зависимости, полученные в бывшем СССР и за рубежом на основе многочисленных экспериментальных и практических данных;
3) вероятностный - используются вероятностные модели, отражающие зависимость полученных динамических моделей на степень их повреждения при различных воздействиях динамических нагрузок;
4) расчётный - применяются нормативные одномерные модели или специальные трехмерные динамические модели, учитывающие упругие или упруго-пластические свойства среды. К сожалению не в одной из существующих моделей нет возможности явно учитывать влияние грунтового массива. Наибольшее распространение получили модели « СКАД», «ЛИРА» и « АНСИЗ».
Понятно, что представить и решить задачу в едином виде, как систему грунт — здание, довольно трудно. По нашему мнению, задачу можно комбинировать: описать закон изменения сейсмической нагрузки от очага до основания объекта; представить трехмерную поверхность грунтового массива, где расположен объект, и, допуская незначительное влияния массы и размеров объекта на характер волнового воздействия очага, на дневную поверхность, получить динамические и напряженно-деформационные параметры на поверхности в районе объекта. Полученные параметры можном использовать как параметры нагрузки в основании объекта.
Описанные выше экспериментальные подходы по фиксации параметров воздействия динамических нагрузок на натурные объекты и результаты полученных испытаний дают возможность получить надежные результаты по реакции здания на динамические воздействия. Расчеты, проведенные автором изложенным выше методом в задачах оценки динамических и напряжено-деформационных параметров при воздействии волновых нагрузок на подземные сооружения различной трехмерной геометрии, показывают волновой характер реакции сооружений на воздействие нагрузки. Выполненные автором с помощью инженера Д. Косцова экспериментальные исследования на пневмодинамической установке
ПДУ-100 подтвердили работоспособность предлагаемой методики оценки напряженно-деформируемого состояния объектов сложной трехмерной геометрии, находящихся в сплошной изотропной упругой среде.
Анализ полученных автором результатов и результаты работ ученых Синицина А.П., Корчинского И. Л., Полякова С.В.,Хачияна Э.Е., Жунусова Т.Ж., Айзенберга Я.М., Дроздюка В.Н. и других ученых в области теории сейсмостойкости дают смелость в качестве универсального параметра применить динамический параметр, в частности период колебаний. Универсальность параметра очевидна, так как период колебаний включает в себя влияние таких главных величин, как масса, геометрия и прочность.
Применение теоретических, экспериментальных, инженерных и вероятностных подходов дает возможность получить надежные критерии оценки уязвимости зданий различного конструктивного исполнения и различной геометрии в зависимости от параметра периода собственных колебаний.
Одной из сложнейших задач при проведении динамических испытаний является задача выделения чистого периода колебаний конструктивной системы. Качество решения поставленной задачи зависит, в первую очередь, от правильности проведенного эксперимента: расстановки датчиков, их закрепления поверхности конструкций; места, мощность и характер воздействия динамической нагрузки, программно-методического аппарата по анализу полученных виброколебаний. Нерешенной до конца задачей является задача получения периодов собственных колебаний конструкций по фоновому воздействию. На рис. 4 приведены спектры колебания здания при динамическом и фоновом воздействиях. Как видно из результатов, возможность выделения периода собственных колебаний из фоновых колебаний существует.
Коротко подведем итоги. Для решения проблемы мониторинга безопасности зданий предлагается интегральный экспериментально расчетный подход. Возможность получения динамических критериев диагностики конструктивных систем различной геометрии, включающих в себя основные характеристики здания, а также возможность экспериментального снятия динамических параметров здания, дают возможность уверенно говорить, что безопасность здания может диагностироваться.
Наличие технологии мониторинга безопасности здания позволяет реализовать непрерывный мониторинг безопасности любой конструктивной системы. Принципиальная схема такой системы мониторинга безопасности включает в себя:
• микрокомпьютер с «вшитой» программой диагностики конструктивной системы по пяти категориям состояния: легкие повреждения ( до 10 %), умеренные повреждения (до 20 %), средние повреждения ( до 50 % ), тяжелые повреждения ( до 70 % ), катастрофические повреждения (до 100 %) и программой управления исполнительными органами;
• многоканальный аналогово-цифровой
преобразователь с набором датчиков для измере- • набор исполнительных механизмов для отра-
ния механических параметров конструктивной ботки команд, полученных от компьютера. системы, электромеханических и температурно- Опытная эксплуатация подобной системы сейчас
влажностных параметров; производится на нескольких зданиях г. Москвы.
а)
Частота, Гц
б)
Частота, Гц
Рис. 4. Спектры колебаний зданий а) с динамическим воздействием; б) фоновые воздействия
Научно технические разработки
