Система мониторинга зданий и сооружений
Группа разработчиков МГТУ им. Н.Э. Баумана под руководством научного руководителя ООО «ИЦДСС», ДТН, профессора, заслуженного деятеля науки РФ, Коновалова С.Ф. создала, испытала и применяет систему мониторинга зданий и сооружений. В системе используются уникальные прецизионные акселерометры-наклономеры с жидкостным заполнением. Благодаря сверхвысокой разрешающей способности датчиков и инновационной системе обработки сигналов, стало возможным надежно измерять ускорения микродвижений объектов, возникающие на этапах строительства и эксплуатации. Таким образом, возможно в реальном времени определять угловые отклонения с точностью выше 0,1 угловой секунды. Создан точный инструмент для диагностирования и прогнозирования технического состояния зданий, сооружений и других ответственных объектов.
По результатам замеров определяются частоты форм колебаний сооружений. Кроме того, горизонтально ориентированные наклономеры позволили определить очень малые угловые подвижки основания, которые могут свидетельствовать о неблагополучных ситуациях на ранних этапах развивающегося разрушения.
Внешний вид системы мониторинга инженерных сооружений (опытный образец)
Методы мониторинга
состояния зданий и строительных сооружений
Локальные
- Визуальные методы, оптика;
- Струнные датчики, тензометрия;
- Лабораторные исследование свойств материалов;
- Волоконно-оптические системы и приборы;
- Другие локальные методы
Интегрированные
- Определение микроперемещений сооружения и его элементов в реальном времени;
- Определение угловых движений конструктивных элементов;
- Определение скорости углового движения;
- Определение собственных частот сооружений и элементов;
Эти методы реализованы в разработанной системе мониторинга
Измерения: суточное движение апекса главного корпуса МГТУ
Зависимость интенсивности наклона здания МГТУ от метеоусловий (облачность, солнечный нагрев)
Движение апекса главного корпуса МГТУ в течение 7 месяцев,
ось X
(направление вдоль р. Яуза)
Движение апекса главного корпуса МГТУ в течение 7 месяцев,
ось Y
(направление к р. Яуза)
Своевременно обнаружено развивающееся смещение зданий МГТУ им. Баумана в сторону реки Яуза, возникшее после строительства Лефортовского тоннеля.
Технические характеристики системы
Действующая система мониторинга состояния строительных конструкций оснащена уникальными сверхчувствительными измерительными приборами, обеспечивающими гарантированное распознавание изменений наклонов с разрешением не хуже 0,1 угл. сек., а также измерения виброускорений в диапазоне до 300 Гц с разрешением от 1 мкg. Спектр частотных характеристик строится по результатам измерений в диапазоне от 0,02 Гц до 30....50 Гц.
При всём многообразии представленных сегодня на рынке приборов, данная система является наиболее чувствительной (по чувствительности при измерениях углов наклона и ускорений возможности системы превышают характеристики существующих систем мониторинга на 2-3 порядка).
| Порог чувствительности при измерении виброускорения | 1 мкg |
| Частотный диапазон измеряемого виброускорения | от 0,01 Гц до 300 Гц |
| Диапазон определяемых натуральных частот объектов | от 0,02 Гц до 30 (50) Гц |
| Порог чувствительности при измерении угла наклона | 0,1 угл. сек. |
| Масса системы | 15 кг |
| Время готовности при измерении углов наклона | 1 час |
| Время готовности при измерении спектров виброускорения | 5 мин. |
| Температурный диапазон в зоне измерений | от -40°C до +50°C |
| Питание | DC 12 В или AC 220 В, 50 Гц |
Испытания наклономеров системы в тестовой шахте (г. Дубна, РФ)
Важность своевременной диагностики
За последние годы Система Мониторинга успешно применялась для диагностики состояния ряда уникальных объектов. Среди них: Останкинская телебашня, Крымский, Братеевский и другие мосты в Москве, крупные спортивные сооружения.
Осуществлено заблаговременное обнаружение дефектов конструкций Ворошиловского моста в Ростове на Дону в 2007 г., сделано предупреждение о развивающейся аварийной обстановке. Затем, службами Гормоста по требованию Мэрии Ростова на Дону была проведена проверка мостового сооружения традиционными методами, не выявившая развивающегося негативного процесса, но через 6 месяцев после вынесения предупреждения объект аварийно разрушился.
Ворошиловский мост
г. Ростов на Дону
Апрель 2007 г.
Проведены измерения и сделано заключение об аварийном состоянии одного пролета.
Через 5 месяцев произошло разрушение пролета.
Ноябрь 2007 г.
Восстановительные работы
Другие исследования, проведенные в Ростовской области
Обследование спортивного центра Южно-Российского государственного политехнического университета.
Были обнаружены докритические процессы разрушения несущих конструкций здания. На основе исследований были проведены восстановительные работы.
Исследование движения земной поверхности, расположенной над полостью, заполненной газом.
Было зафиксировано угловое движение 5 угл. сек. поверхности при заполнении полости газом.
Стоит отметить, что своевременное применение системы мониторинга с вышеперечисленными техническими характеристиками помогло бы избежать аварий на таких объектах, как мостовое сооружение в г. Генуя, Саяно-Шушенская ГЭС, Загорская гидроаккумуляторная электростанция - 2 и многих других.
Ряд аварийных ситуаций был признан страховыми случаями, поэтому достоверная диагностика состояния сооружений должна интересовать не только проектировщиков, строителей, эксплуатационщиков, МЧС, но и страховые компании.
Совокупность негативных факторов,
влияющих на состояние строительных объектов, такие как:
- физическая “усталость” строительных конструкций
- ошибки в проектных разработках
- некачественные строительные материалы
- нарушение норм и правил проведения строительно-монтажных работ
- несоблюдение условий эксплуатации объектов
- геофизические и техногенные воздействия на элементы строительных сооружений
- нештатные аварийные ситуации и другое
приводит, в ряде случаев, к разрушению строительных объектов.
Для предотвращения возможных аварийных ситуаций на строительных объектах целесообразно производить мониторинг их состояния в следующих основных случаях:
- Объекты, сдаваемые в эксплуатацию. (Для определения соответствия рассчитанных на основе проектной конструкторской документации частот основных форм колебаний сооружения и частот, полученных в результате измерений)
- Объекты после нештатных аварийных ситуаций
- Объекты, находящиеся в эксплуатации долгое время, элементы которых могут иметь эффект физической “усталости” и не соответствовать норме в результате длительных нагрузок, а также воздействия неблагоприятной среды
- Плановое периодическое обследование сложных строительных сооружений. (Для выявления ситуации износа и разрушения конструкций в процессе эксплуатации)
- Объекты, подверженные воздействию возмущений, вызванных работой в здании источников вибрационных воздействий ( оборудование, станки, турбины и др. )
- Особо опасные и специальные объекты
- Объекты, подверженные воздействию неблагоприятной или изменяющейся во времени среды
Периодической диагностике подлежат строительные конструкции общего назначения. Особо ответственные сооружения необходимо оснащать постоянно функционирующими системами мониторинга.
Необходимо проведение мониторинга состояния для следующих типов объектов:
- мостовые сооружения и путепроводы
- туннели
- гидросооружения
- крупные промышленные сооружения
- высотные и средневысотные здания
- крупные спортивные сооружения
- опасные и особо ответственные объекты
- уникальные сооружения
На основании анализа данных мониторинга объектов делаются выводы об их сохранности и возможности безопасной эксплуатации, в том числе и о продлении срока службы, а также производится раннее определение предпосылок возможных аварийных ситуаций и их своевременное предупреждение.
Применение СМ при диагностике состояния объектов позволяет определять:
Собственные (модальные) частоты сооружения (конструкции).
Результатом измерений является спектр, на котором регистрируются величины колебаний конструкции на разных частотах, включая модальные. Изменения величин колебаний связано с изменением (перераспределением) как внешних, так и внутренних нагрузок. Основной характеристикой состояния сооружения является сохранение модальных частот в допустимых пределах.
СМ позволяет оценить степень воздействия динамических нагрузок, в том числе работающих механизмов, на вибронагруженность исследуемого объекта и оценить критичность этого воздействия на сохранность сооружения и возможность его безопасной эксплуатации.
Угловые микроподвижки сооружения (конструкции)
Результатами измерений является массив данных по изменению положения элементов сооружения (наклон, сдвиг, опускание, подъём) во времени.
Данные измерения позволяют выявить влияние на сооружение нагрузок (циклических (суточных, сезонных), постоянных и временных, в том числе инсоляционных), а также нагрузок связанных с производственной деятельностью, и оценить степень опасности данных воздействий.
Критериями устойчивости сооружения являются: нахождение величин угловых отклонений выбранных элементов объекта в установленных пределах и принцип возврата угловых отклонений элементов конструкции в положение, близкое к первоначальному, при циклических процессах нагружения (инсоляция).
Технические характеристики системы позволяют применять СМ в качестве устройства для регистрации самых незначительных сейсмических возмущений земной коры, передающихся на строительные конструкции.
На особо ответственных объектах, например на атомных электростанциях, для контроля за интенсивностью возмущений земной коры применяются высокочувствительные сейсморегистраторы, дающие команду на остановку реактора при превышении критического значения мощности землетрясения.
Применение системы мониторинга дает возможность отслеживать положение объекта: до, во время и после землетрясения, что позволяет точно оценить влияние события на устойчивость и целостность конструкции, а также степень опасности произошедших возмущений для оборудования и коммуникаций.
Введение в ПО пороговых параметров мощности возмущений позволяет своевременно сигнализировать о возникновении нештатной ситуации.
Таким образом, система является универсальным инструментом, позволяющим проводить диагностику состояния ответственных сооружений и иметь достоверную информацию о безопасности их эксплуатации после сейсмособытий.
СМ не нуждается в периодическом обслуживании, корректировке «нуля», калибровке тестового сигнала и др., что важно, при эксплуатации прибора в агрессивных средах, при воздействии ионизирующего излучения и в иных условиях повышенной опасности.
Нормативные документы
Проведение мониторинга состояния строительных объектов регламентируется:
-
ГОСТ 31937-2011
(Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга состояния) -
ГОСТ Р.22.1.12-2005
(Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Структурированная система мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений (СМИС). Общие требования)
Стороны, заинтересованные в проведении мониторинга ответственных сооружений:
- Государственные органы
- Строительные компании
- Эксплуатирующие компании
- МЧС, надзорные ведомства
- Страховые компании
- ГК РОСАТОМ
В соответствии с нормативными документами, Система Мониторинга Инженерных Конструкций (СМИК), входит в состав СМИС и обязательна к установке на ответственные объекты.
На сегодняшний день, к сожалению, далеко не все значимые объекты оснащены системами мониторинга, также не проводится периодическая диагностика строительных сооружений, предусмотренная регламентом. Вместе с тем, применяемый сегодня инструментарий для диагностики состояния строительных сооружений, в большинстве случаев ограничен традиционными методиками (тензометрия, замеры с применением струнных технологий и микромеханических акселерометров, тахеометрия и др.).
Точность, чувствительность и временная стабильность используемых приборов не позволяет иметь данные о реальном состоянии объектов, а отсутствие постоянного мониторинга сооружений приводит к невозможности получения достоверного представления об изменениях, происходящих с объектом во времени.
Для гарантированного определения нахождения параметров объекта в рамках критериев безопасной эксплуатации необходима современная методика проведения мониторинга с использованием высокоточных и стабильных средств измерения.
ООО «ИЦДСС» предлагает проектным и инжиниринговым компаниям, лабораториям по диагностике состояния строительных конструкций, эксплуатирующим организациям совместное проведение инструментальных обследований зданий и сооружений с помощью уникальной по точности измерительной Системы Мониторинга.
Объем обследований полностью соответствует ГОСТ 31937-2011 (Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга состояния.) в части определения СЧФК (собственных частот и форм колебаний) сооружений и углов отклонений от вертикали установочных поверхностей в реальном времени.
Обратная связь
Остались вопросы? Напишите нам,
и наши специалисты ответят на них.