Автоматизированный мониторинг зданий и сооружений при помощи датчиков

Введение

В последние десятилетия всё большее распространение стало получать строительство уникальных зданий и сооружений. Это обусловлено как нарастающим в крупных городах дефицитом земли, приводящим к необходимости возведения зданий высокой этажности (выше 100 м), так и проведением масштабных спортивных мероприятий, предъявляющих повышенные требования к возводимым спортивным сооружениям.

Основным отличием особо опасных, технически сложных и уникальных (по ст. 48.1 [2]) объектов является меньшая изученность происходящих в них процессов и значительно возрастающая сложность расчётов, которые для менее сложных объектов во многих случаях могут заменяться готовыми формулами из существующих сводов правил.

В связи с этим при возведении подобных сооружений является усиленный мониторинг наиболее ответственных несущих конструкций, в частности, автоматизированный удаленный мониторинг датчиков. Впервые автоматизированная система мониторинга зданий и сооружений появилась и стала развиваться в странах дальнего зарубежья (США, Канада, страны ЕС), там же появились стандарты мониторинга. В России данная технология имеет распространение с 2000-х годов и регламентируется ст. 6.5 [1].

Несмотря на то, что прямое указание на необходимость мониторинга в ГОСТ приведено только в случае уникальных зданий и сооружений, по желанию заказчика для получения более подробной информации о состоянии объектов часто также предусматривается автоматизированный мониторинг.

В данной статье рассматриваются различные способы мониторинга, различные типы измерительного оборудования, контролируемые параметры и интерпретация результатов измерений, а также некоторые технические аспекты процесса мониторинга.

Типы объектов и контролируемые параметры

На уникальных зданиях и сооружениях автоматизированная система мониторинга устанавливается в обязательном порядке согласно п. 6.5.4 [1]. На прочих объектах данная система может устанавливаться по желанию владельца объекта.

Согласно Градостроительному кодексу РФ здания и сооружения относятся к уникальным, если:

высота объекта более 100м;
наличие пролёта более 100м;
наличие консоли более 20м;
заглубление подземной части более 15м.

Высота более 100м характерна для многих современных зданий с большой этажностью.

Наличие пролёта более 100м и/или консоли более 20м характерно для таких объектов, как современные футбольные стадионы со значительной вместимостью и сложным покрытием.

Заглубление подземной части более 15м характерно для объектов с мощным (часто коробчатым) фундаментом, несущим значительную нагрузку. Это характерно, в частности, для многих высотных зданий высотой более 200-300м.

Высотные здания подвержены значительной ветровой нагрузке, поэтому одним из важнейших параметров при их мониторинге являются колебания здания по высоте. Измерение этих колебаний позволяет определить собственные значения и амплитуды колебаний.

Пролеты протяженностью более 100м, а также консоли более 20м подвержены значительным колебательным и деформационным нагрузкам, что обуславливает целесообразность мониторинга их колебаний и деформаций, см. рис.1.

Во многих уникальных зданиях имеются несущие конструкции, воспринимающие основную нагрузку (например, в высотных зданиях такими могут быть несущие колонны при каркасной или ядро, колонны и аутригеры при каркасно-ствольной системе и т.д.), см.. рис.2. Такие конструкции подвержены значительным деформациям и кренам.

Рис.1. Пример контролируемых конструкций на стадионе

Рис.2. Пример контролируемых конструкций в высотном здании.

Основным преимуществом автоматизированного мониторинга является возможность получения показаний в режиме реального времени, без привлечения геодезиста и проведения дополнительных работ. В случае резкого изменения напряжённо-деформированного состояния конструкций появляется возможность оперативно отреагировать на это изменение и провести более тщательную проверку состояния конструкций. При необходимости производится обследование конструкций согласно п. 6.5.6 [1].

Примеры концепций мониторинга

АО «КТБ ЖБ» проводило анализ геотехнического мониторинга на участке №2,3 ММДЦ «Москва-СИТИ»» [3], в том числе работы автоматизированной системы мониторинга, и давало рекомендации по дальнейшему мониторингу.

Данный объект является высотным зданием (высота объекта +245,95м). В связи с этим на объекте по высоте предусматривается установка датчиков колебаний – акселерометров. Датчики систем мониторинга должны устанавливаться жёстко на контролируемых несущих конструкциях. В случае наличия утепления, звукоизоляции и т.д. перед установкой датчика вся отделка вскрывается, и установка производится непосредственно на железобетонную стену или колонну. В анализе рекомендовано увеличение количества датчиков для получения более полной информации о колебаниях, их амплитудах и собственных значениях.

На объекте установлены датчики угла наклона – инклинометры. Они показывают наклон несущих конструкций и неравномерность осадок фундамента в режиме реального времени. Требования к установке инклинометрических датчиков аналогичны требованиям к установке акселерометров.

В теле несущих конструкций фундамента и железобетонных колонн и перекрытий перед укладкой бетона устанавливаются тензометрические датчики деформаций. Принципиальным моментом для таких датчиков является установка датчика перед укладкой бетона и возведением верхних этажей, поскольку только в этом случае датчик будет давать показания о деформации элемента относительно первоначального, ненагруженного состояния. Распространённой ошибкой является несоблюдение этого требования (установка датчика на готовый и нагруженный элемент конструкции), вследствие чего датчик будет показывать только относительное изменение нагрузки, но не даст информации об абсолютном значении деформации элемента и, как следствие, о его запасе прочности.

Под плитой ростверка устанавливаются датчики давления с целью косвенным образом проконтролировать осадки грунта, о которых может говорить уменьшение давления. Данные датчики требуют установки строго на грунт, под плитой. Не допускается их заливка бетоном, поскольку в этом случае датчик не будет показывать давления плиты на грунт.

На здания высотой более 100м существенное воздействие оказывает ветровая нагрузка. Кроме того, в г. Москва, как и на большей территории Российской Федерации, имеют место значительные перепады температур в течение года. Данные условия вносят существенный вклад в напряжённо-деформированное состояние конструкций, в связи с чем представляется целесообразной установка метеостанции на верхней части здания.

В г. Москва сейсмическая активность низкая. В тех регионах, в которых имеется значительная сейсмическая активность (например, Северный Кавказ), сейсмические колебания могут также оказывать серьёзное влияние на показания системы мониторинга, в связи с чем их необходимо учитывать при интерпретации показаний.

Датчики, установленные на объекте, не выявили отклонений напряжённо-деформированного состояния объекта от нормы.

Также АО «КТБ» проводилось обслуживание системы мониторинга несущих конструкций зданий и сооружений Москомспорта в 2017 году [4]. В рамках данной работы производился анализ показаний системы мониторинга для 112 спортивных школ в г. Москве. Данные здания не являются уникальными, однако по решению владельца – Москомспорта – на них была установлена автоматизированная система мониторинга несущих конструкций с единым диспетчерским пунктом.

В ходе наблюдений за состоянием несущих конструкций были выявлены негативные явления на ряде объектов, а также некоторые недостатки системы, выданы рекомендации по дальнейшим действиям.

При установке датчиков следует исключить их повреждение в ходе эксплуатации здания; например, датчик, размещённый на покрытии спортивного зала, должен быть защищён прочным (желательно металлическим) кожухом во избежание попадания мяча. На рис.3 приведён пример неправильных показаний повреждённого датчиком мяча, вследствие чего была произведена его замена.

Рис.3. Пример неправильных показаний датчика после его повреждения.

Наиболее частыми причинами выхода датчиков из строя были физические воздействия (удары спортивными снарядами, вызывавшие смещения датчиков и/или обрыв кабеля), воздействие влаги (особенно актуально для датчиков, размещаемых над бассейнами, катками, на открытом пространстве). Таким образом, при установке датчиков следует принимать меры по их функционированию в условиях данного объекта. Температурные перепады также способны искажать показания датчиков, расположенных на открытом пространстве, в связи с чем их показания должны дополняться показаниями устанавливаемых рядом с ними датчиков температуры.

Наиболее ярким примером выявления негативных изменений на объекте послужила ситуация, сложившаяся в спортивной школе в г. Зеленоград, где датчиками деформации был зафиксирован рост деформации покрытия, имеющий чёткий сезонный характер (см. рис.4).

Рис. 4. Негативные изменения на объекте.

При посещении объекта и изучении вопроса было выяснено, что деформации покрытия нарастают преимущественно зимой вследствие снеговой нагрузки. В норме покрытие здания должно выдерживать снеговую нагрузку, однако выяснилось, что несколько лет назад в здании был проведён капитальный ремонт, и выполнен он был со значительными нарушениями, вызвавшими нагрузку на несущие конструкции, превышающую проектные значения.

На основе данных наблюдений была дана рекомендация к проведению повторного капитального ремонта с соблюдением всех норм.

Выводы

Автоматизированная программа мониторинга зданий и сооружений позволяет получать подробную информацию об их состоянии в режиме реального времени.

Поскольку оборудование для автоматизированного мониторинга стоит намного дороже ручных деформационных марок, в большинстве случаев расстановка оборудования для мониторинга производится, исходя не только из конструктивных, но и из экономических соображений. Поэтому в первую очередь следует устанавливать оборудование для мониторинга на тех конструкциях, которые подвержены наибольшим нагрузкам и/или являются уникальными.

При проведении автоматизированного мониторинга необходимо учитывать условия эксплуатации датчиков. В случае возможности физического воздействия датчики оборудуются необходимой защитой от повреждений. В случае температурных воздействий следует размещать датчики температуры, показания которых вносятся в расчётную модель при интерпретации показаний датчиков. В случае высокой сейсмической активности в месте расположения объекта следует учитывать в расчётной модели данные о сейсмических колебаниях грунта. Во многих случаях для уточнения причин изменения показаний датчиков рекомендуется установка метеорологической станции.

Математическая модель, составленная заранее, вводится в программное обеспечение системы мониторинга. В рамках этой математической модели система передаёт на пульт диспетчера информацию о том, что показатели находятся в норме, или информацию о превышениях предельных значений показателей. В последнем случае производится обследование конструкций, показывающих неблагоприятные тенденции, и принимается решение о дальнейшей эксплуатации объекта и/или ремонте конструкций при необходимости.

Наибольшее распространение автоматизированные системы мониторинга получают на уникальных объектах (высотные здания выше 100м, современные спортивные стадионы и т.д.). Тем не менее, производится установка таких систем и на объекты, не являющиеся уникальными, но представляющие особый интерес для их владельцев.

Основной целью установки автоматизированной системы мониторинга несущих конструкций являются получение подробной информации о напряжённо-деформированном состоянии несущих конструкций объекта и выявление конструкций с негативной динамикой. Кроме того, для уникальных объектов данные системы мониторинга могут представлять теоретическую ценность для лучшего понимания поведения таких объектов при эксплуатации.

Литература

ГОСТ 31937-2011 Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния.
"Градостроительный кодекс Российской Федерации" от 29.12.2004 N 190-ФЗ (ред. от 03.08.2018) (с изм. и доп., вступ. в силу с 01.09.2018).
АО «КТБ ЖБ». Анализ геотехнического мониторинга на участке №№2,3 ММДЦ «Москва-СИТИ»». М., 2017.
АО «КТБ ЖБ». Отчёты по экспертно-аналитическому обслуживанию системы мониторинга несущих конструкций зданий и сооружений Москомспорта в 2017 году.
Fu-Kuo Chang, Fotis Kopsaftopoulos. Structural Health Monitoring 2015: System Reliability for Verification and Implementation. DEStech Publications, Inc, Oct 1st, 2015.
ISO 16587:2004(en) Mechanical vibration and shock — Performance parameters for condition monitoring of structures.
Aftab A Mufti. Guidelines for structural health monitoring. ISIS Canada, Winnipeg, 2001.