Строительный мониторинг исторических зданий. Технологии и оборудование
Проблема сохранения и обеспечения безопасной эксплуатации старинных зданий и сооружений, особенно исторических памятников, дворцов и музеев, не нова. Но ее актуальность постоянно растет, как увеличиваются возраст и износ интересующих нас объектов. (Эта проблема относится и к старым общественным и производственным зданиям, которые, как правило, интенсивно эксплуатируются и непрерывно реконструируются в связи с необходимостью модернизации технологического оборудования.)
В настоящее время существует несколько подходов к решению рассматриваемой проблемы. С одной стороны, это создание благоприятных условий для изоляции от внешних воздействий, с другой — мониторинг, который позволяет предотвратить наступление критических состояний (высокий уровень накопления повреждений), способных привести к аварии.
На сегодняшний день одним из перспективных направлений мониторинга и диагностики признается диагностика с определением динамических характеристик объекта, оцениваемых при анализе его микроколебаний. Такого рода исследованиями с успехом занимаются МЧС, ЦИЭКС, ЦНИИС, МГСУ и другие организации в России и ближнем зарубежье.
Следует сразу отметить, что диагностика с использованием колебаний малой амплитуды (от долей мм до нескольких мм) принципиально давно известна, однако до настоящего времени ее применение было ограничено как возможностями регистрирующей аппаратуры и датчиков, так и уровнем программ обработки получаемого сигнала. С появлением датчиков высокой чувствительности (от 100 мВ/(м/кв. сек))появилась возможность регистрировать и выделять колебания здания, возникающие от действия приложенной к его конструкциям нагрузки, интенсивность которой сравнима с фоновой от природных микросейсм. Вся процедура испытаний, обработки и интерпретации результатов носит достаточно сложный характер и требует от специалиста определенного опыта и навыков.
Динамические характеристики конструкций, зданий и сооружений, полученные при анализе их свободных колебаний, — это периоды и формы, а также логарифмические декременты колебаний. Методика определения динамических характеристик строительных конструкций по их свободным колебаниям, возбуждаемым воздействием непосредственно на конструкцию внешней импульсной нагрузкой, включает в себя следующие операции: а) возбуждение и регистрация колебаний, б) вычисление их спектров Фурье, в) анализ спектров Фурье с целью выделения резонансных пиков, соответствующих различным формам свободных колебаний, г) получение с помощью обратного преобразования Фурье импульсных реализаций выделенных резонансных пиков по каждой форме свободных колебаний, д) идентификация и графическое представление различных форм колебаний.
Применение такого рода диагностики позволяет интерпретировать результаты как непосредственно по полученным значениям фактических динамических характеристик, так и используя математические модели здания или сооружения.
Обычно построение математической модели происходит по исходным данным, взятым из проекта, с использованием метода конечных элементов, реализованного в тех или иных пакетах программных продуктов. Наиболее распространенные из них российские «Зенит» и «Еврософт», украинские Skad и «Лира», а также зарубежные пакеты Cosmos, Ansys и Abacus. Практически все перечисленные пакеты по своим возможностям решения задач расчета строительных конструкций обладают достаточно стандартным набором конечных элементов. При этом центральным моментом предлагаемого здесь подхода является наличие во всех расчетных комплексах процедуры «модального анализа». Эта процедура позволяет для построенной модели автоматически получить соответствующие ей частоты и формы собственных колебаний. Именно их значения и являются предметом анализа и сравнения с фактически полученными при технической диагностике.
Таким образом, появляется уникальная возможность не только сравнить модель и реальный объект по основным параметрам, но и, изменяя характеристики модели (адаптируя ее), добиться создания математического объекта, адекватного реальному, подлежащему диагностике.
В дальнейшем созданная и адаптированная конечно-элементная (КЭ) модель может быть использована и как объект для мониторинга, и как объект для моделирования тех или иных прогнозируемых ситуаций, например, оценки влияния воздействия на несущие конструкции внешних вибраций или дополнительных статических нагрузок.
В настоящее время существуют достаточно обоснованные требования по предельным внешним нагрузкам для зданий, относящихся к той или иной категории технического состояния и подвергающихся внешним динамическим воздействиям при уплотнительном строительстве. Эти требования прописаны в ТСН и достаточно строго соблюдаются застройщиками. Однако для зданий — исторических памятников, категорию технического состояния которых определить весьма затруднительно, ограничиться выполнением требований ТСН было бы весьма рискованно.
Возможно применение нескольких системных подходов для оценки реальных последствий воздействия на здание поля сейсмических сил в виде воздействий от уплотнительной застройки, транспорта, ветровых воздействий и разных шумов. Наиболее простой и логичный — определение максимальных значений внешних нагрузок в том или ином диапазоне частот, которые могут представлять опасность. Такой подход легко реализуется в рамках предложенной схемы. Необходимо лишь просчитать последствия влияния на адаптированную модель здания воздействий различного вида и интенсивности (при этом не обязательно только сейсмических, например, резкий перепад температур также весьма опасен для ограждающих конструкций) и определить тот порог амплитуд, при котором появляется опасность. А далее надо организовать мониторинг объекта таким образом, чтобы фиксировать возрастающие выше определенных пороговых значений вибрации, скачки температур или опасные низкочастотные шумы.
Однако такой подход опасен тем, что модель не всегда может учесть «неочевидные факторы», такие, например, как накопление повреждений и внезапный отказ того или иного элемента конструкций. Поэтому в особо ответственных случаях для зданий, имеющих солидный возраст и значительную ценность, следует вести комплексный мониторинг, периодически контролируя не только внешние воздействия, но и собственные характеристики объекта обследования. В этой связи можно рекомендовать целый комплекс оригинальных методов и технических средств, позволяющих получать интегральные прочностные характеристики конструкций и их отдельных элементов. Это волновые методы диагностики строительных конструкций, основанные на анализе скорости упругих волн различного частотного диапазона в материале обследуемых объектов. По сравнению с традиционным подходом рассматриваются протяженные измерительные сечения — от десятков сантиметров до нескольких метров, что позволяет оценивать несущую способность не просто кирпича или камня, а целого простенка или участка несущей стены.
Наибольшее распространение при определении жесткостных характеристик материалов строительных конструкций получили следующие методы: проходящей волны, отраженной волны, поверхностной волны, резонансный и импедансный.
Метод проходящей волны заключается в возбуждении продольной волны с помощью точечного импульсного источника и измерении времени пробега волны до точки установки приемника. Этот метод позволяет непосредственно определять скорость продольной волны в материале конструкции. Время пробега волны, как правило, определяют в виде разности моментов вступления ударного импульса и сейсмического сигнала на приемнике.
Технические характеристики аппаратуры, входящей в измерительный комплекс
|
Название
|
Технические характеристики
|
|
Акселерометр
|
Чувствительность — 300 мВ/м/кв. сек, частотный диапазон — 1–300 Гц
|
|
Акселерометр
|
Чувствительность — 10 мВ/м/кв. сек, резонансная частота — 15 кГц
|
|
Усилитель
|
Режимы измерения: ускорение, скорость, перемещение. Усиление — от 1 до 10 000 со ступенчатым изменением с шагом 10 дБ; частотный диапазон — от 1 Гц до 20 кГц; количество каналов измерения — не менее 8; питание от сети 220 В или аккумулятора постоянного тока.
|
|
Аналогоцифровой преобразователь (АЦП)
|
Количество каналов — не менее 8, разрядность — не менее 12 бит, диапазоны измеряемых сигналов — ± 5.12 В, 2.56 В, 1.024 В; максимальная частота преобразования — 300 кГц/канал.
|
|
Персональный компьютер (ПК)
|
Должен быть оснащен программным обеспечением ввода и обработки измерительной информации. Наличие параллельного порта.
|
|
Средство возбуждения колебаний, емкость, заполненная сыпучим материалом, тампер, молоток
|
Вес емкости (мешка) — до 50 кг, оснащена амортизирующей прокладкой. Вес тампера — до 12 кг, оснащен амортизирующей прокладкой. Вес молотка — до 2 кг, оснащен амортизирующей прокладкой и резьбовым отверстием для крепления акселерометра.
|
Метод поверхностной волны заключается в возбуждении на поверхности конструкции волн и измерении их фазовой скорости. На поверхности однородного полупространства возникает Релеевская волна, скорость которой связана со скоростью продольной волны. Ее фазовая скорость может быть определена по сдвигу фаз колебаний в двух точках, расположенных на одной линии с источником волны, или по сдвигу времени синфазных колебаний в этих точках. Основным преимуществом метода поверхностной волны является возможность испытаний при одностороннем доступе к конструкции, однако он более сложен в реализации, т. к. требует большего числа датчиков и более сложной обработки.
Остальные методы основаны на сходных принципах и реализуются в зависимости от специфики стоящих задач. Использование предложенных методов позволяет в значительной степени дополнить исходные данные для создания адекватной модели обследуемого объекта. В отдельных случаях, например, при локализации наиболее нагруженных или ослабленных конструкций, достаточно будет регулярно замерять скорости упругих волн в них, чтобы контролировать состояние конструкции и прогнозировать ее эксплуатационный ресурс.
Вышеизложенные теоретические подходы и их практическое применение на многочисленных объектах, по нашему мнению, позволяют в значительной степени решить проблему обеспечения безопасной эксплуатации зданий и сооружений — исторических и архитектурных памятников. При этом используются вполне доступные и относительно недорогие средства и методы, основанные на отечественных разработках.
| Автор: С. Н. Савин, Н. И. Шевченко Дата: 30.03.2007 Журнал Стройпрофиль 2-07 Рубрика: мониторинг зданий Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |