Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ инструментальных методов обследования и мониторинга технического состояния строительных конструкций зданий и сооружений с большепролетными конструкциями при их эксплуатации 15
1.1 Анализ инструментальных методов обследования и мониторинга технического состояния строительных конструкций 15
1.2 Анализ возможности автоматизации процессов контроля деформационного состояния несущих строительных конструкций зданий и сооружений с большепролетными конструкциями 30
1.3 Анализ автоматизированных систем мониторинга технического состояния строительных конструкций 33
1.4 Выводы по главе 51
Глава 2 Методология проведения мониторинга технического состояния зданий и сооружений с большепролетными конструкциями с помощью автоматизированных систем контроля механической безопасности несущих строительных конструкций 52
2.1 Методологические основы проектирования автоматизированных систем контроля механической безопасности несущих строительных конструкций 52
2.2 Новый способ диагностики несущих строительных конструкций и/или их частей и элементов и методика его реализации 62
2.3 Процедура реализации нового способа диагностики на основе применения автоматизированных аппаратно-вычислительных средств 64
2.4 Регламент проведения мониторинга технического состояния несущих строительных конструкций на основе применения автоматизированных аппаратно-вычислительных средств 69
2.5 Выводы по главе 76
Глава 3 Разработка специализированных измерительных модулей для определения интегральных динамических параметров несущих строительных конструкций и создание типового электронного банка данных 77
3.1 Измерительный модуль для определения значений периода и декремента основного тона и обертонов собственных колебаний несущих строительных конструкций или их частей 77
3.2 Измерительный модуль для определения значений передаточных функций для несущих строительных конструкций или их частей 87
3.3 Типовой электронный банк данных для хранения и тематического поиска информации 96
3.4 Выводы по главе 113
Глава 4 Аппаратно-вычислительныи комплекс автоматизированной системы контроля механической безопасности зданий и сооружений с большепролетными конструкциями 114
4.1 Измерительные модули для регистрации контролируемых параметров строительных конструкций зданий и сооружений с большепролетными конструкциями 114
4.2 Математическое обеспечение для управления измерительными модулями и контроля их работоспособности 139
4.3 Выводы по главе 148
Глава 5 Результаты внедрения автоматизированной системы контроля механической безопасности зданий и сооружений с большепролетными конструкциями при их эксплуатации 149
Заключение 161
Список литературы 164
Приложения 180
1 Акт разработки опытного образца типовой модульной стационарной автоматизированной станции по контролю механической безопасности зданий и сооружений с большепролетными конструкциями.. 180
- Анализ инструментальных методов обследования и мониторинга технического состояния строительных конструкций
- Регламент проведения мониторинга технического состояния несущих строительных конструкций на основе применения автоматизированных аппаратно-вычислительных средств
- Типовой электронный банк данных для хранения и тематического поиска информации
- Измерительные модули для регистрации контролируемых параметров строительных конструкций зданий и сооружений с большепролетными конструкциями
Введение к работе
Актуальность темы исследования
Федеральным законом №384 «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» регламентирован комплекс требований, связанных с обеспечением механической безопасности зданий и сооружений на протяжении всего жизненного цикла, который, в том числе, предусматривает мониторинг несущих строительных конструкций в процессе эксплуатации.
Особое значение такой мониторинг приобретает для уникальных объектов: высотных зданий и зданий с большепролетными конструкциями, характеризующихся большими строительными объемами, применением разнообразных строительных материалов, сложными расчетными схемами, что требует выявления на ранней стадии опасных изменений в несущих строительных конструкциях.
В проектах, как для массового жилого строительства, так и для уникальных объектов вопросы раннего обнаружения негативных изменений напряженно-деформированного состояния несущих строительных конструкций при эксплуатации, отвечающие требованиям обеспечения механической безопасности зданий и сооружений, не представлены, что вынуждает коммунальные службы обеспечивать эксплуатацию объектов по своему усмотрению. При таком подходе неоднократно возникали аварийные ситуации, примерами которых могут служить обрушения покрытия купола здания «Трансвааль парка» в г. Москва (2004г.), покрытия в бассейне "Дельфин" в г. Чусовой Пермского края (2005г.), покрытия Басманного рынка в г. Москва (2006г.), покрытия спорткомплекса в г. Благовещенск (2009г.), покрытия спорткомплекса в г. Королев Московской области (2013г.) и др. Подобные аварии отмечены и за рубежом: обрушение покрытия терминала в парижском аэропорту Руасси - Шарль де Голль (2005г.), покрытия закрытого катка в г. Бад-Райхенхаль в Германии (2006г.), покрытия стадиона «Метродом» в Миннеаполисе США (2010г.) и др.
Повысить механическую безопасность таких объектов можно за счет организации в процессе эксплуатации систематических наблюдений (мониторинга) за несущими строительными конструкциями, которые позволяли бы своевременно, на ранней стадии, обнаруживать изменения напряженно-деформированного состояния несущих строительных конструкций и контролировать происходящие опасные тенденции, приводящие к аварийным ситуациям, и обеспечивать проведение превентивных мероприятий, не допускающих возникновения аварийного состояния здания.
Современные способы оценки технического состояния строительных конструкций (в смысле механической безопасности), основанные на традиционном их обследовании и успешно используемые для обычных зданий и сооружений, не достаточно эффективны при мониторинге объектов с большепролетными конструкциями в силу большого строительного объема и, как правило, ограниченного доступа к несущим конструкциям и их элементам, соответственно, значительной продолжительности сроков выполнения работ и их чрезмерной трудоемкости. В связи с этим, для подобных объектов возникает необходимость автоматизации процесса диагностики механической безопасности на основе неразрушающих методов контроля, позволяющих в процессе эксплуатации выявлять на ранней стадии изменения напряженно- деформированного состояния строительных конструкций и локализовывать места таких изменений в пределах зоны небольшого строительного объема, для последующего проведения в ней обследований опасных участков конструкций традиционными способами.
В этой связи необходима разработка специальных способов и технических средств раннего выявления и локализации мест изменения напряженно-деформированного состояния строительных конструкций, позволяющих создать автоматизированные аппаратно- вычислительные комплексы для диагностики механической безопасности объекта на основе мониторинга выбранных параметров несущих строительных конструкций. Известные автоматизированные системы пригодны для решения ограниченного круга задач, связанных с контролем отдельных элементов конструкций, и требуют развития для возможности одновременного контроля совокупности большего числа конструктивных элементов, особенно, для зданий и сооружений с большепролетными конструкциями.
Мониторинг зданий и сооружений с большепролетными конструкциями при эксплуатации требует комплексного подхода, основанного на систематизации способов контроля технического состояния строительных конструкций и разработке стационарного автоматизированного комплекса средств для сбора, обработки, хранения, поиска и дальнейшего использования информации мониторинга таких объектов, а также оптимизации организационной структуры систем автоматизированного мониторинга объектов, позволяющей с одной стороны надежно получать достоверную информацию, а с другой - осуществлять мониторинг оперативно с привлечением минимального необходимого количества специалистов.
В связи с изложенным разработка способов ранней диагностики деформационных процессов несущих строительных конструкций является актуальной задачей и диктуется практической необходимостью создания автоматизированных систем контроля механической безопасности зданий и сооружений с большепролетными конструкциями в соответствии с требованиями национального стандарта ГОСТ Р 53778-2010 «Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга».
Целью диссертации является создание автоматизированной системы контроля механической безопасности зданий и сооружений с большепролетными конструкциями (СМДС-Б) на основе разработки новых измерительных модулей для определения и анализа динамических параметров строительных конструкций, а также с адаптацией существующих измерительных средств.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
-
разработан новый способ диагностики несущих строительных конструкций большепролетных зданий и сооружений, их частей и элементов, позволяющий выявлять на ранней стадии изменения деформированного состояния строительных конструкций и контролировать их во времени в процессе эксплуатации посредством автоматизированных аппаратно-программных средств;
-
для реализации нового способа разработана методика проведения мониторинга, позволяющая количественно оценить степень изменения деформированного состояния строительной конструкции на основании сравнительного анализа измеренных значений динамических параметров конструкции с вычисленными с помощью математического моделирования значениями аналогичных динамических параметров;
-
разработан регламент проведения мониторинга, определяющий порядок, объем и периодичность измерений при мониторинге;
-
разработаны методологические основы проектирования автоматизированных систем контроля механической безопасности несущих строительных конструкций зданий и сооружений с большепролетными конструкциями в процессе эксплуатации, устанавливающие требования к разработке систем мониторинга; методология включает разработку: модели опасностей для объекта, методики, процедуры и регламента проведения мониторинга;
-
разработаны специализированные измерительные модули для определения значений периодов и декрементов затухания основного тона и обертонов собственных колебаний несущих конструкций или их частей, и значений передаточных функций для этих конструкций, позволяющие в процессе эксплуатации объекта измерить текущие значения указанных динамических параметров и провести анализ полученной информации для подготовки выводов по этапу мониторинга;
-
в составе автоматизированной системы контроля разработан типовой электронный банк данных для хранения и тематического поиска информации, получаемой в процессе эксплуатации объекта, как с помощью СМДС-Б, так и в результате обследований технического состояния, а также информации об изменениях на объекте (реконструкции, перестройках, восстановлениях и др.);
-
разработан аппаратно-вычислительный комплекс СМДС-Б, включающий новые (разработанные) и адаптированные специализированные измерительные модули для регистрации заданных проектом контролируемых параметров для металлических, железобетонных и деревянных конструкций, а также оригинальное математическое обеспечение для управления всеми измерительными модулями и контроля их работоспособности.
Научная новизна диссертационной работы:
-
разработан новый способ диагностики несущих строительных конструкций большепролетных зданий и сооружений, позволяющий на основе сравнительного анализа значений интегральных динамических параметров, полученных с помощью математического моделирования и в результате их измерения на реальном объекте, выявлять на ранней стадии опасные тенденции деформационных процессов, приводящих к аварийным ситуациям;
-
разработана практическая методика экспериментального определения значений периодов и декрементов затухания собственных колебаний несущих строительных конструкций или их частей, позволяющая, согласно ГОСТ Р 54859-2011, с заданной точностью, в зависимости от значения доверительной вероятности, получать текущие величины контролируемых динамических параметров, на основании которой созданы специализированные измерительные модули;
-
разработан аппаратно-вычислительный комплекс СМДС-Б, построенный по модульному принципу независимого использования каждого составляющего его измерительного модуля, что позволяет привязывать систему мониторинга на основе этого комплекса на любые здания и сооружения с большепролетными конструкциями.
Практическая значимость работы:
разработана автоматизированная система контроля механической безопасности зданий и сооружений с большепролетными конструкциями для этапа их эксплуатации, которая позволяет в процессе эксплуатации на ранней стадии выявлять негативные изменения деформированного состояния несущих строительных конструкций и локализовывать места таких изменений в пределах зоны небольшого строительного объема; система построена по модульному принципу с возможностью независимого использования каждого составляющего ее измерительного модуля, возможностью наращивания измерительных средств в каждом из них; система мониторинга пригодна для любых зданий и сооружений с большепролетными конструкциями, в том числе расположенных в сейсмоопасных регионах страны;
разработаны методологические основы проектирования автоматизированных систем контроля механической безопасности строительных конструкций большепролетных зданий и сооружений в процессе эксплуатации, а также методика, процедура и регламент проведения мониторинга деформационного состояния несущих строительных конструкций, включающие в себя процедуры определения значений контролируемых параметров для несущих строительных конструкций, их частей, элементов, соединений и узлов, а также порядок, объем и периодичность измерений при мониторинге^
разработан типовой электронный банк данных для хранения и тематического поиска информации, получаемой в процессе эксплуатации объекта, позволяющий, в том числе в автоматизированном режиме, подготавливать отчетные документы в соответствии с требованиями ГОСТ Р 53778-2010 «Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния» по состоянию на любую дату с начала эксплуатации объекта.
Степень достоверности полученных результатов обеспечивается:
применением апробированных способов и методов обследования и мониторинга технического состояния несущих строительных конструкций, а также применением в составе измерительных модулей сертифицированных аппаратно-измерительных средств;
сопоставлением результатов многовариантного компьютерного моделирования с данными натурного мониторинга многочисленных объектов капитального строительства, подверженных динамическому воздействию антропогенного характера, в различных регионах: в г. Москве, а также на олимпийских объектах в г. Сочи.
Методами исследования являются способы контроля механической безопасности несущих строительных конструкций, в том числе, на основе анализа изменений их динамических параметров.
На защиту выносятся наиболее существенные результаты исследований, имеющие научную и практическую значимость:
общая постановка проблемы, основные цели и требования к разработке автоматизированной системы контроля механической безопасности зданий и сооружений с большепролетными конструкциями при их эксплуатации;
новый способ диагностики деформированного состояния несущих строительных конструкций и/или их частей и их элементов;
методика, процедура и регламент реализации нового способа на основе применения аппаратно-вычислительного комплекса СМДС-Б;
автоматизированная система контроля механической безопасности зданий и сооружений с большепролетными конструкциями при их эксплуатации.
Апробация работы. Основные положения проведенных исследований по теме диссертации докладывались автором на международной научно-практической конференции «Мировой опыт строительства спортивных сооружений - стадионы», г. Москва, 2011г.; международной научно-практической конференции «Инженерные системы - 2011», г.Москва, 2011г.; общероссийской конференции «Инновационные технологии в строительстве - путь к модернизации России», г. Москва, 2011г.; Московской городской конференции молодых ученых «Современные проблемы инженерных исследований», г. Москва, 2008г.;
межрегиональной научно-практической конференции «Проектирование инженерных систем и безопасности высотных зданий», г. Санкт-Петербург, 2007г.; V-ой международной научно- практической конференции «Стройбезопасность-2007», г. Москва, 2007г.и др.
Практические результаты работы представлены на XIII Московском международном Салоне изобретений и инновационных технологий «Архимед-2010». По итогам выставки работа «Способ определения технического состояния строительных конструкций и/или их частей и их элементов» награждена серебряной медалью.
Внедрение результатов работы.
Положения и результаты настоящей работы использовались в 2006-2012г. институтом ГУП МНИИТЭП и Российской инженерной академией при выполнении следующих работ: разработке опытного образца модульной автоматизированной станции по контролю механической безопасности зданий и сооружений с большепролетными конструкциями, при проектировании стационарных автоматизированных станций мониторинга деформационного состояния несущих конструкций большепролетных зданий и сооружений: Крытого конькобежного центра в Крылатском в г. Москва, Общественной зоны для обслуживания пассажиров транспортно-пересадочного узла и посетителей ММДЦ «Москва-Сити», Пешеходно-травалаторной связи от набережной Тараса Шевченко и Кутузовского проспекта до ММДЦ «Москва-Сити», и 6 большепролетных спортивных сооружений Олимпиады 2014г. в городе Сочи: Большая ледовая арена для хоккея с шайбой, Ледовый дворец спорта, Центральный олимпийский стадион, Малая ледовая арена для хоккея с шайбой, Крытый конькобежный центр, Трамплинный комплекс, а также при разработке ГОСТ Р 53778-2010 «Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния», ГОСТ Р 54859-2011 «Здания и сооружения. Определение параметров основного тона собственных колебаний» и двух проектов Межгосударственных стандартов: «Мониторинг технического состояния уникальных зданий и сооружений. Правила проектирования и установки стационарных систем (станций) мониторинга» и «Здания и сооружения. Правила и мониторинг технического состояния».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, из них 6 статей опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и результатов работы, библиографического списка из 184 наименований, 1 приложения и содержит 184 страницы, в том числе 126 страниц машинописного текста, 80 рисунков, 10 таблиц.
Анализ инструментальных методов обследования и мониторинга технического состояния строительных конструкций
В соответствии с Федеральным законом №384 механическая безопасность здания или сооружения в процессе эксплуатации обеспечивается посредством периодических проверок технического состояния их строительных конструкций путем осмотров, инструментальных обследований или мониторинга, включающих в себя комплекс мероприятий по определению и оценке фактических значений их контролируемых параметров. Для контроля обычно назначаются наиболее важные с эксплуатационной точки зрения параметры характеризующие физико-механические свойства материалов строительных конструкций. Для изготовления несущих строительных конструкций большепролетных зданий и сооружений наиболее распространено применение трех основных материалов или их комбинаций: бетона или железобетона, металла и дерева. Каждый из этих материалов имеет свои особые физико-механические характеристики и отличительные особенности эксплуатации, которые необходимо учитывать при проведении обследования или мониторинга технического состояния. Поэтому определены параметры для несущих строительных конструкций, выполненных из указанных типов материалов, которые необходимо обязательно контролировать.
Для бетонных и железобетонных несущих конструкций контролю должны подвергаться такие показатели как прочность, величина защитного слоя, влажность, геометрические характеристики, морозоустойчивость, влагонепроницаемость и ряд других. Однако наиболее важным является контроль прочности и геометрических характеристик несущих строительных конструкции на предмет выявления изменений их напряженно-деформированного состояния. Проблема обеспечения надежной и безопасной работы металлических конструкций с каждым годом становится все более актуальной, так как их старение значительно опережает темпы технического перевооружения. В реальных условиях эксплуатации металлические конструкции подвергаются воздействию не только статических, динамических, циклических нагрузок, но и различных по степени агрессивности коррозионных сред, которые приводят к изменению геометрических характеристик строительных конструкций и физико-механических свойств металла. Кроме того, в элементах и узлах металлических конструкций всегда присутствуют дефекты, полученные при изготовлении, транспортировке, монтаже и эксплуатации, способствующие появлению локальных зон концентрации напряжений, наиболее опасные из которых могут привести к их разрушению. Таким образом, для металлических конструкций важен контроль прочности, геометрических характеристик, слабо видимых невооруженным глазом поверхностных и сквозных дефектов (трещины, поры, раковины, непровары в швах, межкристаллическая коррозия, свищи и т.д.).
При обследовании или мониторинге деревянных конструкций необходимо иметь в виду ряд отрицательных свойств древесины: неоднородность строения и пороки (сучки, косослой и др.), быстрое увлажнение, набухаемость, низкая огнестойкость, быстрое разрушение грибами и жучками. Главными дефектами деревянных конструкций, которые появляются в результате нарушения правил эксплуатации здания, связанным с ухудшением температурно-влажностного режима в помещениях, приводящего к повышению влажности древесины, являются поражение ее домовыми грибами и коррозия металлических элементов соединений. Ввиду таких особенностей древесины необходимо контролировать ее прочность, геометрические характеристики, наличие и раскрытие продольных трещин и проявление эффекта кручения конструкции, а также выявлять участки с повышенным содержанием влаги, вызывающей гниение конструкции.
Получение информации о фактических характеристиках материалов несущих строительных конструкций и элементов производится двумя основными способами. Первый из них связан с выявлением предельных несущих способностей изучаемых строительных конструкций, что связано с доведением их до разрушения. Такой способ достаточно эффективен при проведении исследований на моделях зданий и сооружений или испытании их конструкции. Что же касается реальных эксплуатируемых объектов, то разрушение их с целью выявления предельных несущих способностей экономически не оправдано. На эксплуатируемых объектах для определения фактических характеристик материалов несущих строительных конструкций широко применяется второй способ, основанный на применении неразрушающих способов испытания конструкций, позволяющих сохранить эксплуатационную пригодность конструкции и выявить действительное ее состояние без нарушения несущей способности. Эти положительные факторы неразрушающих способов испытаний конструкций позволяют проводить работы без нарушения или остановки функциональных процессов на объекте обследования. Ввиду этого круг рассматриваемых инструментальных методов обследования и мониторинга технического состояния строительных конструкций решено ограничить неразрушающими способами испытания, широко представленными в [45,122,124,126,136,137,155,161,174].
Следует отметить, что при анализе инструментальных методов оцениваются возможности их эффективного использования для зданий и сооружений с большепролетными конструкциями, имеющими большой строительный объем, и, как правило, ограниченный доступ к несущим строительным конструкциям, заключающиеся в надежном и оперативном получении достоверной информации о текущем техническом состоянии объекта в целом или его отдельных строительных конструкций, и возможности реализации с помощью автоматизированных средств измерения.
Ниже рассмотрим наиболее распространенные неразрушающие способы и методы обследования, позволяющие оценить отмеченные выше важные технические параметры металлических, бетонных или железобетонных, и деревянных строительных конструкций: метод проникающих сред;
механические методы испытания;
ультразвуковые акустические методы;
радиационные методы испытания;
магнитные и электромагнитные методы;
методы контроля линейных перемещений и деформаций;
методы контроля температуры и влажности.
Метод проникающих сред основан на регистрации индикаторных жидкостей или газов, проникающих в объект. Этот метод можно разделить на два: метод течеискания и капиллярный метод. Первый используется для контроля герметичности резервуаров, газгольдеров, трубопроводов и других подобных сооружений. Метод реализуется следующим образом: поверхность шва с одной стороны обильно смачивается или опрыскивается жидкостью с малой вязкостью и незначительным поверхностным натяжением, например, керосином, который легко проникает через поры и трещины, а с другой подбеливается водным раствором мела и высушивается. При наличии трещин на подсохшем светлом фоне отчетливо выявляются ржавые пятна и полосы при просачивании керосина. Второй, капиллярный метод, заключается в том, что на деталь наносят специальную жидкость (индикаторный пенетрат), которая под действием капиллярных сил заполняет полости поверхностных дефектов. Дефекты выявляются путем обнаружения жидкости, оставшейся в их полостях после удаления ее с поверхности, либо путем фиксации скопления частиц порошка, взвешенных в жидкости и отфильтровавшихся на поверхности при заполнении полости дефекта жидкостью. Наиболее подробно метод рассмотрен в [8,74,120,130,156,159,163]. Достоинство метода заключается в простоте технической реализации, недостаток - обладает достаточно узкими рамками применения при обследовании зданий и сооружений с большепролетными конструкциями, требует предварительного определения потенциальных мест возникновения дефектов в строительных конструкциях для проведения испытаний, а сами испытания не поддаются автоматизации.
Механические методы испытаний связанны с анализом местных разрушений, перемещений при внедрении нагрузочного органа в тело испытуемого материала. К их числу относятся методы пластических деформаций и упругого отскока, ударно-импульсный, а также метод местных разрушений, при использовании которого все-таки происходит местное разрушение конструкции, но оно является незначительным и не приводит к существенному снижению несущей способности.
Метод пластических деформаций основан на оценке местных деформаций, вызванных приложением к конструкции сосредоточенных усилий. Реализация метода базируется на существовании зависимости диаметра или глубины, образовавшимся вдавливанием штампа (шарика) в тело материала, от прочностных характеристик материала. При практической реализации метода для определения прочности бетона и твердости металла используются приборы как ударного, так и статического действия. К приборам определения прочности бетона статического действия относятся такие, как «Штамп НИИЖБ», прибор Новгородского М.А. , и к ударным - прибор К.П. Кашкарова. Для определения твердости бетона и металла известен прибор Польди-Вайцмана ударного действия, разработанный Чехословацкой академией наук. На сегодняшний день разработаны приборы с возможностью вести автоматический пересчет измерений: например, прибор ТН-130, который объединяет в одном корпусе ударное устройство и процессор обработки данных, не используя разъемы и соединительные провода. Наиболее подробно метод и аппаратура для проведения измерений рассмотрены в [5,8,50,74,87,88,89,91,114,116,119,120, 123,156].
Регламент проведения мониторинга технического состояния несущих строительных конструкций на основе применения автоматизированных аппаратно-вычислительных средств
Решая вопрос о цикличности выполнения измерений автоматизированной станцией мониторинга технического состояния большепролетных зданий, делают выбор между постоянным и периодическим режимом мониторинга. При рассмотрении этого вопроса необходимо учитывать следующее, что обычно разрушение здания происходит по двум схемам:
1 - постепенное накопление напряжений и деформаций с последующим обрушением несущих строительных конструкций;
2 - быстротечное (прогрессирующее разрушение) при возможно даже кратковременном, но существенном перегрузе важного несущего элемента строительной конструкции здания, при разрушении которого и возможно последующее прогрессирующее разрушение.
При первой схеме, как показывает опыт обследований и мониторинга, нет необходимости вести непрерывный контроль деформаций конструкций в силу небольшой скорости нарастания этого процесса. В этом случае достаточно выполнять наблюдения периодически, например, для вновь возведенных зданий в первые три года эксплуатации - два раза в год, в последующем периоде достаточно выполнять их один раз в год.
Защитой от обрушения по второй схеме в настоящее время может служить только надежный расчет несущих элементов конструкций и соответствующие конструктивные мероприятия, исключающие прогрессивное обрушение. При этой схеме обрушения не могут помочь какие-либо системы контроля деформаций конструкций, так как начавшийся процесс по быстротечности равносилен взрыву. Даже предварительное обнаружение не дает возможности принять какие-либо меры для предотвращения обрушения или спасения людей и оборудования. Таким образом, постоянный мониторинг не нужен и в этом случае. Тем не менее, существует ряд параметров, для которых обязательно проведение непрерывного мониторинга, в том числе по технологическим причинам, например, измерение акустической эмиссии, где контролируемый параметр определяется методом постоянного накопления информативных событий.
С учетом этой информации и на основании имеющегося практического опыта для различных периодов жизненного цикла (период строительства, период опытной эксплуатации, период промышленной эксплуатации) зданий и сооружений с большепролетными конструкциями для автоматизированной системы контроля их механической безопасности назначают следующий режим работы.
Период строительства существенно отличается от периода его эксплуатации. Соответственно, вопросы обеспечения безопасности процесса строительства сооружения и вопросы обеспечения его дальнейшей безопасной эксплуатации имеют существенные отличия. В соответствии с этим не целесообразно создавать универсальную систему мониторинга на период строительства сооружения и на период его эксплуатации, так как в этом случае часть оборудования системы, используемая в период строительства сооружения не будет использоваться в период его эксплуатации. Для решения вопроса обеспечения безопасности в период строительства здания с большепролетными конструкциями в свою очередь имеется ряд документов [148,149].
Продолжительность периода опытной эксплуатации системы мониторинга, как правило, составляет один год. В этот период эксплуатации автоматизированной системы выполняются 10 - 15 циклов измерений. Эти измерения должны выполняться в различных технологических и климатических условиях нагружения объекта мониторинга, в том числе, измерения должны выполняться в зимний период для различных уровней снеговой нагрузки. Накопленная в этот период информация используется для расчета предельных значений, до которых обеспечивается механическая безопасность объекта [101,152]. Период промышленной эксплуатации системы мониторинга наступает по завершению периода опытной эксплуатации и продолжается в течение всего периода эксплуатации сооружения с большепролетными конструкциями. В период промышленной эксплуатации система мониторинга используется один раз в год в летний период. Это позволяет осуществить анализ изменений деформированного состояния элементов конструкций и объекта в целом, произошедших за год. Проведение такого контроля в летний период (в период отсутствия дождей) позволяет наиболее корректно сравнить результаты измерений, так как обеспечивает приблизительное единообразие реальных нагрузок на основные несущие конструкции, поскольку отсутствуют дополнительные снеговые нагрузки и замачивание утеплителя кровли.
После двух лет промышленной эксплуатации выявляются тенденции изменения деформированного состояния конструкций и затем при необходимости корректируется программа проведения мониторинга технического состояния несущих строительных конструкций объекта с учетом произошедших изменений [36].
Рассматривая вопрос цикличности работы системы мониторинга необходимо помнить, что п.п. 2 п. 9 ст. 15 Федерального закона от 30.12.2009 г. №384-Ф3 «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» обязывает в проектной документации указывать периодичность мониторинга в процессе эксплуатации здания или сооружения. При наличии этих данных в проектной документации, они должны быть учтены при составлении регламента работы станции мониторинга.
При составлении регламента проведения мониторинга технического состояния зданий и сооружений с большепролетными конструкциями разрабатывают следующие документы:
программу проведения мониторинга технического состояния несущих строительных конструкций объекта для выявления тенденции изменения их деформированного состояния с выделением этапов эксплуатации системы мониторинга;
рекомендации по корректировке программы проведения мониторинга с учетом произошедших изменений технического состояния несущих строительных конструкций за соответствующий этап эксплуатации системы мониторинга;
состав регламентов действий при переходе объекта в категорию ограниченно работоспособное или аварийное состояния;
Мониторинг технического состояния несущих строительных конструкций объекта служба эксплуатации может осуществлять с привлечением специализированных организаций. Объем работ и периодичность измерений при мониторинге технического состояния несущих конструкций определяются службой эксплуатации в зависимости от состояния объекта: срока эксплуатации, отступлений от первоначального проекта, реальной ситуации на объекте, состояния и уровня внешних воздействий и т.д., но измерения не должны быть реже одного раза в год [53,134].
Как уже выше описано эксплуатация подразделяется на два периода: опытной и промышленной эксплуатации.
В период опытной эксплуатации выполняются следующие работы:
определение предельно назначенных величин для контролируемых параметров выбранных несущих строительных конструкций;
калибровка измерительных средств системы мониторинга, для которых межкалибровочный интервал меньше или равен периоду опытной эксплуатации;
осуществление интеграции дополнительных измерительных модулей, необходимость в которых возникла по результатам измерений системой мониторинга;
замена или подзарядка источников питания в связи с интенсивной работой аппаратно-измерительных средств (включая, при наличии, средства беспроводной системы связи) системы мониторинга в период опытной эксплуатации перед началом промышленной эксплуатации;
корректировка проектной документации системы мониторинга по результатам опытной эксплуатации;
В период промышленной эксплуатации выполняются следующие работы:
получение величин контролируемых параметров, характеризующих текущее техническое состояние несущих конструкций;
анализ данных измерений с целью предварительной оценки категории технического состояния объекта по результатам этапа мониторинга;
калибровка измерительных средств системы мониторинга, для которых межкалибровочный интервал меньше или равен периоду опытной эксплуатации;
осуществление интеграции дополнительных измерительных модулей, необходимость в которых возникла по результатам измерений системой мониторинга
Типовой электронный банк данных для хранения и тематического поиска информации
Для хранения и эффективного использования информации о техническом состоянии объекта, представляющей собой большую многопараметрическую совокупность данных, необходима информационная система, обеспечивающая высокий технологический уровень обслуживания специалистов, занятых в области проектирования, научно-исследовательских работ и эксплуатации зданий и сооружений с большепролетными конструкциями. Наиболее эффективными системами взаимодействия человека с большими информационными потоками, а во время эксплуатации уникального объекта информация накапливается стремительно и в достаточно больших объемах, являются банки данных. Существо концепции банка данных состоит в интеграции данных и централизации управления ими для многоаспектного коллективного использования [10,21,66,142].
Одним из основных вопросов при разработке банка является вопрос о базе данных, представляющих собой ту совокупность информации, которую банк может выдать потребителям, и на основе которой формируются исходные данные для решения тех или иных задач[46,69,165,178]. Эта совокупность информации определяется классом задач, для решения которых создается банк данных.
Чтобы успешно автоматизировать процесс извлечения информации из банка данных, необходимо найти форму представления модели реальности в ЭВМ, т.е. найти адекватную модели реальности модель данных с присущими ей формой представления данных и формой представления отношений между данными. Такая модель реализована в виде ориентированного графа, представленного на рисунке 3.15, и характеризующего общую логическую организацию информационных массивов и их отношений. Отношения между информационными массивами представляют собой упорядоченные пары связей соподчинения узлов информационных массивов. Стрелками на рисунке 3.15 обозначены точки входа в древовидную структуру графа по параметрам поиска.
Изображенные на рисунке 3.15 информационные массивы соответствуют следующим объектам: А- станция мониторинга; Б -результаты мониторинга; В -результаты обследований; Г - журнал учета изменений технического состояния объекта; Д - паспорт объекта.
Отношения между информационными множествами А-Б находятся в соответствии М:К, между множествами А-Д, Б-В, Б-Г, Б-Д, В-Д, В-Г, Г-Д - в соответствии 1 :М. Здесь условия М:К, 1 :М имеют следующий смысл. Отношения между двумя множествами X и Y можно рассматривать как два отображения: FX:X— Y и FY:Y—»Х. Тогда объекты множества X и Y находятся в отношении 1:М, если одно из отображений FX или FY функционально. Эти объекты находятся в отношении М:К, если ни одно из отображений не функционально, т. е. для каждого объекта X найдется много объектов Y и наоборот.
В основе построения базы данных лежат универсальные принципы, характеризующие предметную область задачи. База данных работает под управлением MS SQL Server. На рисунках 3.16-3.20 представлены ориентированные графы, отражающие внутреннюю структуру соответственно информационных множеств А, Б, В, Г, Д (атрибуты (узлы) и их отношения). В таблицах 3.3-3.7 представлены атрибуты информационных множеств.
На основе представленной в электронном банке данных информации оператор станции имеет возможность в автоматизированном режиме подготовить по состоянию на любую дату с начала эксплуатации объекта следующие технические документы: паспорт объекта [147]; журнал учета изменений технического состояния объекта; заключение по этапу мониторинга или обследования технического состояния объекта [125]; состав, характеристику средств измерений СМДС-Б и их размещение на объекте.
Измерительные модули для регистрации контролируемых параметров строительных конструкций зданий и сооружений с большепролетными конструкциями
В основу разработки СМДС-Б заложен модульный принцип построения системы с возможностью независимого использования каждого составляющего ее измерительного модуля, и возможностью наращивания измерительных средств в каждом из них, что позволяет устанавливать систему контроля на любые здания и сооружения с большепролетными конструкциями, используя для этого как все измерительные модули, так и отдельные измерительные модули. Основываясь на данном принципе, разработанная СМДС-Б представляет собой аппаратно-вычислительный комплекс, включающий:
базовый компьютер с оригинальным математическим обеспечением, включающим программное обеспечение для каждого измерительного модуля и основную программу, которая осуществляет взаимодействие с измерительными модулями системы, управляет их работой, осуществляет контроль их работоспособности и формирует отчетные документы этапа мониторинга;
адаптеры для каждого измерительного модуля, осуществляющие связь измерительного оборудования модуля с компьютером;
устройства разветвления-согласования (а также связи), позволяющие в каждом измерительном модуле расширить количество используемых в модуле каналов измерений;
приборы регистрации тех параметров строительных конструкций, для которых разработан каждый измерительный модуль.
На рисунке 4.1 представлена блочная схема автоматизированной системы контроля механической безопасности зданий и сооружений с большепролетными конструкциями при их эксплуатации.
Условные обозначения: 1 - базовый компьютер; 2.1 - 2.9 - адаптеры; 3 -устройства разветвления-согласования; 4 - приборы регистрации
Состав измерительных модулей для СМДС-Б определен на основании выбранного ранее перечня основных параметров контроля деформированного состояния строительных конструкций большепролетных зданий и сооружений, в соответствии с которым обязательному контролю должны подлежать следующие характеристики:
температура и относительная влажность воздуха в зоне расположения строительных конструкций (для деревянных конструкций);
влажность древесины по сечению конструкций (для деревянных конструкций);
динамические характеристики конструкций;
крены фундаментов и колон;
пространственное положение конструкций, в том числе площади опирання конструкций и прогибы конструкций;
локальные деформации в конструкциях;
внутренние скрытые дефекты конструкций (для металлических конструкций);
локальные потери несущей способности элементов конструкций;
регистрация сейсмических воздействий на конструкции (для сейсмоопасных районов).
На основании приведенных основных контролируемых характеристик строительных конструкций определен состав измерительных модулей автоматизированной системы контроля механической безопасности зданий и сооружений с большепролетными конструкциями при эксплуатации, в основу которых заложены неразрушающие способы контроля основных параметров несущих строительных конструкций.
Аппаратно-вычислительный комплекс СМДС-Б представляет собой совокупность функционально ориентированных специализированных измерительных модулей и включает в себя:
модуль измерения температурно-влажностного режима в зоне расположения строительных конструкций;
модуль измерения влажности древесины по сечению конструкций;
модуль измерения кренов здания и его элементов;
модуль измерения периода и декремента основного тона и обертонов собственных колебаний несущих конструкций или их частей;
модуль измерения передаточных функций для различных конструкций или их частей;
модуль контроля пространственного положения элементов конструкций;
модуль измерения деформаций и усилий в конструкциях;
модуль контроля возникновения внутренних дефектов элементов конструкций на основе метода акустической эмиссии;
модуль визуального контроля технического состояния конструкций;
модуль регистрации сейсмических воздействий на конструкции.
Специализированные измерительные модули измерения периода и декремента основного тона и обертонов собственных колебаний несущих конструкций или их частей; а также измерения передаточных функций для различных конструкций или их частей рассмотрены в главе 3. Описание остальных измерительных модулей аппаратно-вычислительного комплекса СМДС-Б представлено ниже. Диапазоны основных характеристик первичных приборов, преобразующих и регистрирующих устройств измерительных модулей в наибольшей степени соответствуют требованиям к рабочим диапазонам их основных характеристик, полученных на основании анализа результатов расчетов строительных конструкций и практического опыта измерений [141].
Модуль измерения температурно-влажностного режима в зоне расположения строительных конструкций
Данный модуль предназначен для определения температуры и влажности в зоне расположения строительных конструкций [100]. Он состоит из базового блока WMR88 и дистанционного датчика температуры и влажности THGR810 Общий вид измерительного модуля представлен на рисунке 4.2.
Дистанционный датчик предназначен для измерения температуры и влажности окружающей среды в месте установки и передачи этой информации по радиоканалу на базовый блок.
Модуль измерения влажности древесины по сечению конструкции
Модуль предназначен для измерения параметров влажности древесины[102]. Модуль состоит из электронного блока и датчика влажности игольчатого типа Sh0453. Общий вид измерительного модуля представлен на рисунке 4.4. В электронном блоке установлены предусилитель сигналов с датчиков влажности и контроллер SH0200.
