CC BY
176
УДК 614.8
М.А. Шахраманьян д.т.н., Г.М. Нигметов к.т.н., М.Ю. Прошляков
ТЕХНОЛОГИЯ ОЦЕНКИ УСТОЙЧИВОСТИ И СЕЙСМОСТОЙКОСТИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
На основании данных комплексного обследования и их анализа составляется сертификат инженерной безопасности здания, который является для него своеобразным паспортом
М.А. Шахраманьян
Г.М. Нигметов
М.Ю. Прошляков
Для комплексной диагностики систем грунт-здание (сооружение), обнаружения скрытых дефектов в системах грунт-здание (сооружение) и для определения степени повреждения и устой-и (сейсмостойкости) зданий и сооружений необходимо применять мобильный диагностический комплекс.
С помощью мобильного диагностического комплекса могут выполняться:
1. Высокоточная оценка геометрических параметров здания (сооружения) и грунтовой площадки и проверка соответствия обнаруженных геометрических дефектов нормативным параметрам.
2. Координатная привязка здания (сооружения) и разработка ситуационной схемы.
3. Высокоточная оценка и привязка физико-механических, конструктивных (армирование, защитный слой бетона, сечение основных конструктивных элементов) параметров зданий (сооружений).
4. Фотопротоколирование дефектов конструктивных элементов зданий (сооружений). Создание карт-схем дефектов.
5. Выполнение геологических и геофизических исследований грунтового массива площадки, где располагаются здания (сооружения). Определение трехмерного строения грунтового массива, физико-механических и динамических параметров. Выполнение его сейсмозондирования ответственных конструктивных элементов здания (фундаментов, основных несущих конструктивных элементов) для определения их размеров, прочности и наличия скрытых дефектов.
При отсутствии данных по глубине залегания фундамента методом сейсмического сканирования определяется его глубина, прочность и возможные скрытые дефекты.
6. Радиолокационное исследование основных конструктивных элементов и грунтового массива, определение скрытых дефектов, полостей, наличия арматуры и различных коммуникаций, определение структуры и строения системы грунт-здание.
7. Динамические испытания системы грунт-здание и выявление месторасположения и параметров скрытых дефектов. Анализ динамических параметров и определение степени повреждения и устойчивости здания (сооружения).
8. Выполнение расчетов с применением пакета программ и полученных комплексных параметров по определению возможных предельных нагрузок на здание (сооружение).
Обследование технического состояния зданий и сооружений I и II уровней ответственности проводится в соответствии с лицензиями Федерального агенства по строительству и ЖКХ (Госстроя) и Госгортехнадзора России.
Методика проведения обследований зданий и сооружений с помощью мобильного диагностического комплекса прошла сертификацию на межведомственной комиссии Российской Федерации по предупреждению и ликвидации ЧС (Протокол № 4 от 25.09.2002 г.).
Научно-технические разработки
Научно-технические разработки
Состав мобильного диагностического комплекса (лаборатории)
Мобильная диагностическая лаборатория включает в себя:
— комплекс для динамического тестирования зданий и сооружений «Струна-3»;
— комплекс для сейсмозондирования грунтовой площадки «Лакколит-24М»;
— установку для динамического зондирования грунта;
— комплекс для высокоточного снятия геометрических параметров (тахеометр, GPS, дальномер, цифровой фотоаппарат);
— электронный измеритель прочности ИПС-МГ-4;
— ультразвуковой тестер УК1401;
— ультразвуковой прибор «Бетон-2М»;
— измеритель защитного слоя «Поиск-2.2»;
— прибор для зондирования строительных конструкций «Раскан»;
— радиотехнический прибор подповерхностного зондирования РППЗ (георадар);
— пакет программ для определения устойчивости здания.
Концепция обследования зданий (сооружений)
Технологическая блок-схема выполнения инженерного обследования показана на рис. 1. Из схемы
На основе полученных диагностических и расчетных данных об уровне повреждения и риска обрушения (инженерного риска) определяются инженерные мероприятия, повышающие устойчивость здания (сооружения).
Порядок выполнения работ
1. Обследование зданий и сооружений начинается с исследования строительной площадки, которое включает в себя обследование внешней поверхности и обследование внутреннего геологического строения строительной площадки. Обследование внешней поверхности предполагает создание ситуационной схемы строительной площадки (рис. 2), на которой указывается:
— особенности рельефа местности площадки;
— план здания (сооружения) с соседними зданиями (сооружениями) в радиусе не менее шести максимальных длин здания.
При составлении ситуационной схемы объекта производится координатная привязка объекта, измеряются внешние размеры здания (длина, ширина, высота) и ближайших соседних объектов. В случаях, если на площадках имеются подпорные стенки, то в схеме должны быть описаны основные геометрические и конструктивные параметры подпорных стенок.
Выводы и рекомендации
Рис. 1. Технологическая схема проведения инженерного обследования
видно, что выводы и рекомендации даются на основании проведенного комплексного интегрального анализа всех компонентов описывающих сооружение. В блоке моделирования происходит оценка влияния различных факторов (возможных опасных природных и техногенных нагрузок) на объект и его поведение в зависимости от них.
Если в ближайшем окружении имеются гидрологи -ческие объекты, то они также должны быть отражены на схеме.
При особом желании заказчика может быть выполнено трехмерное моделирование местности (рис. 3) с использованием системы лазерного сканирования, которая состо-
Рис. 2. Составление ситуационного плана
ит из портативного, работающего в автоматическом режиме импульсного лазера и полевого персонального компьютера со специализированным программным обеспечением. Такая система способна проводить работы по получению трехмерной цифровой модели с точностью от долей миллиметров до 5 см на расстоянии от нескольких десятков до 2 500 м за время от нескольких секунд до десятков минут. Лазер имеет поле зрения от 40 х 40 до 360 х 180 градусов и подходит для съемки и моделирования местности и инженерных объектов.
Система не требует применения отражателей,
так как используется безотражательный принцип работы. Трехмерная конфигурация снимаемой поверхности регистрируется с одновременным выводом на дисплей в виде массива точек, имеющих три координаты и, как правило, показатели интенсивности отражения и/или «истинного цвета». Таким образом, мгновенно создается трехмерная векторная модель снимаемого объекта.
2. Исследование здания включает в себя изучение планировочного и конструктивного решения здания (сооружения), в ходе которого определяются тип конструктивного исполнения и конструктивные осо-
Научно-технические разработки
бенности основных элементов зданий (сооружений): толщины защитного слоя бетона, определения
фундаментов, стеновых элементов, перекрытий, расположения и диаметра арматуры в диапазоне
деформационных швов. Составляются поэтажные от 3 до 50 мм классов А1—А4 по ГОСТ 57881—75
планы объектов (рис. 4). Для этой работы исполь- в железобетонных изделиях и конструкци-
Рис. 4. Составление поэтажного плана исследуемого объекта
зуется электронный лазерный тахеометр, дальномер и рулетка. С помощью этих приборов составляются планы очень высокой точности.
Для определения конструктивного решения несущих элементов здания используется прибор «Поиск», предназначенный для измерения
ях при параметрах проектирования согласно ГОСТ 22904—78 в условиях предприятий, стройплощадок, эксплуатируемых зданий и сооружений. Для томографии конструктивных элементов применяются компактные георадары. С их помищью легко составляются схемы армирования несущих
Рис. 5. Составление схемы армирования несущих конструктивных элементов
конструктивных элементов (рис. 5).
3. Для наблюдения за геометрическими параметрами здания (сооружения), такими как осадки, крены, отклонения действительных осей здания от проектных (рис. 6) используется электронный лазерный тахеометр. После проведения полевых ра-
бот данные с прибора загружаются в компьютер, и с помощью специального программного обеспечения определяют абсолютные значения вышеуказанных показателей. Далее данные сравниваются с таблицей предельных дополнительных деформаций (табл. 1) существующих зданий и производится уточнение
Геометрические параметры
*ТЧ
,<м Д/г < [Д/г] ~—^—Ж ~~~ , Л/г : 1*1
'""1 , I
////// ! //////
Рис. 6. Высокоточное определение геометрических параметров здания
Таблица 1
ПРЕДЕЛЬНЫЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ
Категории состояния конструкций Предельные дополнительные деформации
Тип зданий Максимальная осадка, см dh Относительная разность осадок, dS/L Крен, і
С железобетонным I 5,0 0,002 —
II 3,0 0,001 —
каркасом III 2,0 0,0007 —
I 4,0 0,0016 0,0016
Крупнопанельные II 3,0 0,0008 0,0008
III 2,0 0,0005 0,0005
Крупноблочные I 4,0 0,002 0,002
II 3,0 0,001 0,001
и кирпичные III 1,0 0,0007 0,0007
Блочные или кирпичные с сейсмопоясами I 5,0 0,0024 0,0024
II 3,0 0,0015 0,0015
III 2,0 0,001 0,001
Кирпичные истори- I 1,0 0,0005 0,0005
ческие здания, памят- II 0,5 0,0003 0,0003
ники архитектуры III 0,2 0,0001 0,0001
Монолитные конс- I 5,0 — 0,004
II 3,0 0,002
трукции, трубы III 2,0 — 0,001
Научно-технические разработки
Научно-технические разработки
категории технического состояния конструкции.
4. Обследование внутреннего геологического и геофизического строения предполагает изучение геологического строения грунтов, определение уровня грунтовых вод, определение физико-механических характеристик грунтов и динамических
параметров грунтов. Обследование выполняется с использованием установки для динамического зондирования грунта «РЗГ-2» (рис. 7), комплекса для сейсмозондирования «Лакколит-24» (рис. 8), полевой геологической лаборатории, георадара (рис. 9) и при необходимости электроразведова-
Схема испытаний
ш
Рис. 7. Определение сейсмичности и геологического строения площадки
Рис. 8. Получение исходной информации при сейсморазведке площадки
■ГГ" II III ■—I———> III І мШігІ
Рис. 9. Пример построения геолого-сейсмического строения площадки
тельного комплекса.
Установка для динамического зондирования грунта (РЗГ-2) предназначена для определения угла внутреннего трения, сцепления, модуля деформации грунта и определения несущей способности фундаментов, обследования и расчёта устойчивости откоса, контроля качества уплотнения грунта.
Комплекс для сейсмозондирования грунтовой площадки «Лакколит-24» предназначен для производства сейсморазведочных работ методами преломленных и отраженных волн на основе современных технических решений при инженерно-геологических изысканиях и микросейсморайонировании. Регистрация и предварительная обработка данных осуществляется встроенным сигнальным процессором в реальном масштабе времени.
Радиотехнический прибор подповерхностного зондирования (георадар) предназначен для обнаружения различных предметов (металлических и неметаллических) под землей и под водой.
5. Визуальный осмотр здания предполагает выявление дефектов по внешнему контуру здания. Главной целью визуального обследования является определение характера и геометрических размеров дефектов и их поэтажная привязка к основным строительным осям.
По результатам визуального обследования строится внешняя и внутренняя развертки здания с указанием параметров обнаруженных дефектов и их топографического расположения на развертках. Для этого используются цифровой фотоаппарат и тахео-
метр (рис. 10).
При обследовании внутреннего объема объекта строятся поэтажные развертки с картированием геометрии дефектов.
Оценка степени повреждения здания определяется по табл. 2.
6. Для выявления локальной прочности матери -алов конструкций и их геометрических параметров применяются методы неразрушающего контроля оценки прочности строительных конструкций: измерение скорости прохождения ультразвука в заданных сечениях конструктивных элементов, поверхностной склерометрии и электромагнитные методы неразрушающего контроля (рис. 11). Используются приборы ИПС-МГ4, «Поиск-2.2», «Раскан», УК1401.
Прибор ИПС-МГ4 предназначен для неразрушающего контроля прочности бетона, железобетонных изделий, конструкций и строительной керамики методом ударного импульса по ГОСТ 22690. Принцип работы прибора основан на измерении параметра акустического импульса, возникающего на выходе склерометра при соударении бойка о поверхность контролируемого материала.
Прибор «Раскан» предназначен для исследования строительных конструкций с целью обнаружения скрытых объектов и получения представления о внутренней структуре объекта.
Количество исследуемых точек при неразрушающем контроле должно назначаться в зависимости от степени износа и степени важности объекта, но не менее четырех точек на каждом этаже, при этом должны сниматься па-
Рис. 10. Визуальный контроль и привязка дефектов
Научно-технические разработки
Научно-технические разработки
Таблица 2
Оценка степени повреждения и износа
Категория технического состояния и его оценка Виды повреждений Степень повреждения, %
Несущих стен, столбов, элементов каркаса, фундаментов Ограждающих стен Перекрытий, лестниц, сводов
I (нормальное, хорошее) Имеются отдельные небольшие выбоины, сколы, волосяные трещины (до 0,1) Видимых повреждений нет Сдвигов и трещин нет 0 - 10 Без повреждений -легкие повреждения
II (удовлетворительное) Трещины длиной до 1,5 см, следы коррозии арматуры. Уменьшение прочности бетона защитного слоя на более 10 % Волосяные трещины в кладке и швах между панелями Повреждений и трещин нет 11 - 30 Умеренные повреждения
III (неудовлетворитель- ное) Промораживание и выветривание кладки. Трещины, пересекающие до 4-х рядов кладки, а также между продольными и поперечными стенами. Снижение прочности кладки до 25 %, бетона изгибаемых элементов до 30 %. Прогибы металлических конструкций 1/150 пролета Вертикальные и наклонные трещины с раскрытием до 5 см Смешение перекрытий на опорах до1/5 глубины заделки, но не более 2 см 31 - 60 Сильные повреждения
IV (ветхое) Снижение прочности кладки до 50 %. Трещины, пересекающие более 4-х рядов кладки. Раскрытие осадочных трещин более 50 мм. Отклонение от вертикали более 1/50 высоты конструкции. Прогибы железобетонных балок более 1/50, металлических конструкций более 1/75 пролета Трещины с раскрытием более 5 мм, сдвиги панелей Трещины и сдвиги в сопряжениях, разрыв анкеров 61 - 90 Тяжелые
V (негодное) Обрушение отдельных частей, частичное или полное разрушение 91 - 100 Катастрофические
Рис. 11. Неразрушающий контроль зданий и сооружений
раметры основных несущих конструктивных элементов.
По результатам обследования определяются поэтажные параметры прочности и, в целом, прочность несущих конструктивных элементов по всему зданию (табл. 3).
7. Для выявления в целом несущей способности здания производится динамическое испытание зда-
ния, при этом проводится импульсное или гармоническое возбуждение здания и снимаются фоновые динамические колебания. Динамическая реакция здания на нагрузку записывается с помощью сейсмовибраци-онных датчиков ускорения. Для динамического испытания здания используется комплекс «Струна-3». При этом применяется минимум пять трехкомпонентных
Таблица 3
сейсмовибрационных датчиков (рис. 12). Пример получения физико-механических характеристик конструктивных элементов здания
Ультразвук
Место Исходные данные 1н (мкс) Эталонная база В, мм Ун = (В/ й)103 (м/с) Кн = 0,802 шКп, мПа мПа Р = 0,95 Кп = ШКп- 1,65оВп, мПа
Подвал. Бетонные стены по оси 9 по оси В—С 40,67 120 2951 36,1
41,39 120 2899 33,8
39,67 120 3025 39,7
40,67 120 2951 36,1
39,67 120 3025 39,7 37,1 2,59 32,8
Подвал. Бетонные стены по оси 9 по оси С—D 41,22 120 2911,05 34,28
40,72 120 2946,95 35,91
39,39 120 3046,46 40,82
40,78 120 2942,62 35,71
38,17 120 3143,83 46,29 38,60 4,96 30,42
Т =^а,И,а,Ь),
где: а - параметры типа здания; И - высота; а - ширина;
Ь - длина.
Тип здания а
крупнопанельное 0,045
кирпичное или блочное 0,056
здание с большими проемами 0,065
железобетонный каркас 0,064
Степень повреждения Увеличение в %
1 0 -10
2 11-30
3 31-60
4 61-90
5 91-100
Рис. 12. Схема проведения динамического обследования
Научно-технические разработки
Научно-технические разработки
Датчики представляют собой пьезоэлектрические трехкомпонентные преобразователи акселеромет-рического типа со встроенными предварительными усилителями. Каждая из компонент (каналов) осуществляет преобразование механических колебаний, воздействующих на его корпус в электрическое напряжение. Это напряжение пропорционально величине соответствующей компоненты полного вектора ускорения, с которым под действием внешних возмущений совершает движение корпус. Каждая компонента имеет определенное ее конструкцией
направление максимальной чувствительности — измерительную ось.
Датчики устанавливаются в горизонтальной плоскости, импульсные удары наносятся нагружающим устройством по различным осям (рис. 13).
Степень повреждения здания определяется по результатам сравнения полученных динамических параметров с нормативными значениями. Нормативное значение динамических параметров определяется по результатам расчетов с максимальным учетом исходных данных, зависящих от типа здания (кирпичное, панельное и пр.) и геометрических параметров
Схема испытаний
Рис. 13. Пример динамического испытания здания
Рис. 14. Пример получения динамических параметров здания
(высота, длина и пр.) (рис. 12, 14).
Выводы и рекомендации
По результатам комплексного анализа экспериментальных данных (табл. 4), полученных при диагностировании объекта и моделировании возможного поведения здания (сооружения) при воздействии возможных опасностей, определяется инженерная безопасность здания (сооружения).
Риски обрушения зданий и сооружений определяются на основе данных об инженерной безопасности объекта и сведениях о населении.
Оценка повреждения здания (сооружения) произ-
Сертификация и инж
водится на основании сравнения данных полученных, до какого либо воздействия на здание с данными, полученными во время обследования проведенного после воздействия.
На основании данных комплексного обследования и их анализа составляется сертификат инженерной безопасности здания (рис. 15), который является для здания своеобразным паспортом, в котором описано состояние «здоровья» здания. При соблюдении и учете заказчиком всех выводов и рекомендаций, описанных в сертификате гарантируется инженерная
Таблица 4
нерная безопасность
Степень повреждения Инженерный риск ^є) разрушения здания, 1/год Реагирование
1 10-6-10-4 Не требуется
2 10-4-10-3 Текущий ремонт
3 10-3-10-2 Усиление
4 10-2-10-1 Немедленная эвакуация, снос или капитальный ремонт
5 10-1-1 Снос
ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ЦЕНТР НАУКИ Ц ВЫСОКИХ ТЕХНОЛОГИЙ ВНИИ ГОЧС
Москва. 2003
Рис. 15. Сертификат инженерной безопасности здания
Научно-технические разработки
