Публикации »

Мониторинг технического состояния зданий и сооружений

Жизнедеятельность города оказывает существенное влияние на строящиеся и уже построенные здания и сооружения, приводит к возникновению дополнительных, негативных воздействий природно-техногенного характера (ускоренная коррозия, техногенная динамика, ухудшение свойств грунтов). Для принятия эффективных решений по снижению уровня опасности проживания населения на территориях, подверженных воздействиям природно-техногенных факторов, необходима достоверная информация о реальном деформационном состоянии (остаточном ресурсе) зданий и сооружений, построенных в этих регионах. Такую информацию обеспечивает мониторинг технического состояния строений.

Особую роль мониторинг деформационного состояния зданий имеет для крупных городов и мегаполисов, как, например, Москва, Санкт-Петербург и др. Масштабное строительство надземных и подземных зданий и сооружений, особенно в стесненных условиях центра города, и жизнедеятельность самого мегаполиса оказывают существенное влияние на уже построенные объекты, приводят к ухудшению строительных свойств грунтов, что в свою очередь создает дополнительные нагрузки в ранее построенных зданиях и увеличивает риск потери их несущей способности.

Современное положение с контролем деформационного состояния существующих застроек городов в нашей стране, как впрочем и в мире, находится в недостаточно развитом состоянии, хотя последние внезапные разрушения зданий в нашей стране и за рубежом вывели эту проблему на одно из первых мест в системе превентивных мероприятий по обеспечению безопасности проживания населения, особенно в крупных городах.

В последнее время появилось много предложений по использованию для контроля технического состояния несущих конструкций строений автоматических станций, работающих непрерывно (круглосуточно) в режиме реального времени. Однако контроль технического состояния зданий в настоящее время нельзя осуществить автоматически, так как это состояние в соответствии с СП-13-102-2003 «Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений» и разработанными и находящимися на утверждении МГСН 2.10-04 «Предпроектные комплексные обследования и мониторинг зданий и сооружений для восстановления, реконструкции и капитального ремонта» определяется на основе поверочных расчетов с уточненными по результатам обследования реальными прочностными характеристиками материала конструкций и расчетной схемой объекта, что пока не поддается полной автоматизации.

Контроль же отдельных параметров ограниченного числа несущих элементов, как правило, не дает достоверной информации о реальном техническом состоянии здания. Режим круглосуточного мониторинга вообще мало эффективен, а потому и не целесообразен, поскольку обрушение сооружений происходит в основном по двум схемам: либо с постепенным накоплением напряжений и деформаций и последующим обрушением несущих конструкций, либо быстротечно (прогрессирующее обрушение) при возможно даже кратковременном, но существенном перегрузе важного несущего элемента конструкций, при разрушении которого и возможно последующее прогрессирующее обрушение.

При первой схеме обрушения, как показывает многолетний опыт обследований и мониторинга зданий и сооружений, нет необходимости вести непрерывный контроль деформаций конструкций, достаточно его вести периодически, например один раз в год. Защитой от обрушения по второй схеме в настоящее время может быть только надежный расчет несущих элементов конструкций и соответствующие конструктивные мероприятия, обеспечивающие недопустимость прогрессирующего обрушения, потому что при такой схеме обрушения не могут помочь какие-либо системы контроля деформаций строительных конструкций, так как, если процесс начался, то в силу его быстротечности, равносильной взрыву, даже предварительное обнаружение не позволяет предпринять какие-либо действия по его предотвращению или спасению людей и оборудования.

Современные методы мониторинга технического состояния зданий и сооружений, основанные на традиционном обследовании конструкций, выявлении дефектов и последующем отслеживании изменения этих и возникновения новых дефектов, мало пригодны при массовом мониторинге большого числа зданий и сооружений существующих застроек городов в силу их высокой трудоемкости, стоимости и продолжительности выполнения инструментальных работ. В связи с этим возникает задача разработки других технологий мониторинга, позволяющих оценивать напряженно-деформированное состояние конструкций, в частности, основанных на динамических методах.

В качестве такой технологии ГУП МНИИТЭП предлагает использовать метод контроля динамических параметров (периода и логарифмического декремента (характеристика затухания колебаний) основного тона собственных колебаний) зданий и сооружений городской застройки. Эта процедура не требует больших финансовых затрат и времени на ее реализацию. Изменение динамических параметров зданий и сооружений однозначно указывает на изменение напряженно-деформированного состояния их конструкций. Институтом совместно с Российской инженерной академией и рядом московских организаций для реализации указанной методики разработана передвижная станция мониторинга деформационного состояния зданий, которая успешно применялась при мониторинге деформационного состояния зданий, попавших в зону строительства третьего транспортного кольца Москвы, что позволило на ранней стадии контролировать техническое состояние большого числа объектов города. Следует отметить, что выявление изменения динамических параметров зданий и сооружений не решает вопроса о том, на сколько опасно такое изменение и по каким причинам оно произошло. Для решения этих вопросов необходимы технологии традиционного обследования конструкций.

В последние годы строится много сложных, уникальных, широкопролетных, высотных объектов, для которых эти методы, эффективные для обычных зданий, малопригодны. 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 всё меньше и меньше. Условно говоря, если вклад напряженно-деформированного состояния одного этажа в величину периода основного тона собственных колебаний для 5-этажного здания составляет 1/5, то для 45-этажного дома он составит лишь 1/45. Для его выявления 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, опасно ли это изменение для эксплуатации здания. Эта методика не позволяет локализовать места изменения напряженно-деформированного состояния конструкций здания.

В нашем институте разработана методика динамического зондирования и ранней диагностики деформационного состояния несущих конструкций, основанная на анализе изменения передаточных функций, полученных для различных по высоте участков здания. 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 компонентов спектров мощности сигналов, зарегистрированных  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 целесообразнопроизводить 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 предложенного метода институтом совместно с рядом московских организаций разработана автоматизированная стационарная станция мониторинга деформационного состояния несущих конструкций высотных зданий (СМДС-В), основные технологические элементы которой отработаны на различных зданиях и которая уже устанавливается на ряде высотных объектов города.

В настоящее время в Москве силами различных научно-исследовательских и учебных институтов, проектных организаций и частных фирм проводятся несогласованные работы по обследованию технического состояния, в том числе и деформационного, отдельных зданий и со-оружений города. Как правило, эти работы проводятся на реконструируемых объектах или уже находящихся в аварийном состоянии. Большое количество зданий и сооружений не охвачено вообще никаким контролем, хотя жизнедеятельность города динамично приводит к усилению негативных воздействий силового и не силового характера на конструкции зданий и сооружений. Всё это в условиях исчерпания нормативных сроков эксплуатации большого количества объектов города не допустимо и требует системно организованных наблюдений, т. е. создания системы мониторинга технического состояния зданий и сооружений города. По этому вопросу правительство Москвы выпустило в последние годы несколько распоряжений, которые, однако, не решают проблемы окончательно. Для этого требуется целевая городская программа.

В настоящее время в Москве разработаны и находятся на утверждении два нормативных документа, посвященных рассмотренным вопросам: МГСН 2.10-04 «Предпроектные комплексные обследования и мониторинга зданий и сооружений для восстановления, реконструкции и капитального ремонта» и МГСН 4.19-05 «Многофункциональные высотные здания и комплексы».

Автор: В. В. Гурьев, В. М. Дорофеев
Дата: 17.05.2005
Журнал Стройпрофиль 4-05
Рубрика: безопасность. огнезащита




«« назад