автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Разработка автоматизированной системы контроля механической безопасности зданий и сооружений с большепролетными конструкциями при их эксплуатации

На Лрава^рукописи

Лысов Дмитрий Анатольевич

РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ С БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫМИ КОНСТРУКЦИЯМИ ПРИ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ООБОЬичои

'} П '■> УЯ'Р

Москва - 2013

005060468

Работа выполнена в Государственном унитарном предприятии Московский научно-исследовательский и проектный институт типологии, экспериментального проектирования (ГУП МНИИТЭП)

Научный руководитель: ■ доктор технических наук, профессор

Гурьев Владимир Владимирович

Официальные оппоненты: Травуш Владимир Ильич

академик РААСН, доктор технических наук, профессор, Открытое акционерное общество «Экспериментальный научно-проектный институт», главный конструктор

Пономарев Олег Иванович

кандидат технических наук, Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский центр «Строительство», подразделение - Центральный научно-исследовательский институт строительных конструкций имени В.А. Кучеренко, заместитель директора

Ведущая организация:

Защита состоится

Открытое акционерное общество «Центральный научно-исследовательский и проектно-экспериментальный институт промышленных зданий и сооружений (ОАО «ЦНИИПРОМЗДАНИЙ»)

2013 г. в ¿Г часов на заседании

диссертационного совета Д 303.015.01 при ЗАО «ЦНИИПСК им. Мельникова» по адресу: 117997, г. Москва, ул. Архитектора Власова, 49, комн. 314.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЗАО «ЦНИИПСК им. Мельникова».

Просим Вас принять участие в защите и направить отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенный печатью организации, в секретариат совета по указанному выше адресу.

Телефон/факс +7 (495) 660-79-40

E-mail: п.simon@stako.ru

Автореферат разослан

2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 303.015.01, У^Р ^

кандидат технических наук Симон На галья Юрьевна

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 локализовыватъ 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:

1 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;

2 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;

3 разработан регламент проведения мониторинга, определяющий порядок, объем и периодичность измерений при мониторинге;

4 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;

5 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;

6 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.);

7 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 кашпального 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.; У-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, приложения и содержит 184 страницы, в том числе 126 страниц машинописного текста, 80 рисунков, 10 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении диссертации обоснована актуальность темы работы. Сформулированы ее цели и задачи, определен объект и предмет работы. Показана научная новизна и практическая значимость работы, а также степень достоверности полученных результатов. Перечислены основные положения, выносимые на защиту. Отмечены вопросы апробации работы и внедрения результатов исследований. Представлена характеристика объема и структура работы.

В первой главе диссертации произведена классификация и анализ инструментальных методов обследования и мониторинга технического состояния строительных конструкций, выполнен обзор и анализ существующих автоматизированных систем мониторинга, основанных на регистрации как динамических, так и статических параметров строительных конструкций.

Анализ традиционных инструментальных методов обследования и мониторинга технического состояния несущих строительных конструкций зданий и сооружений показал сложность их применения для мониторинга объектов с большепролетными конструкциями, связанную с трудоемкостью их применения и, как следствие, длительностью выполнения работ.

Учитывая, что эксплуатируемое здание или сооружение с большепролетными конструкциями представляет сложную многоэлементную систему, в которой доступ к большей части строительных конструкций существенно ограничен или затруднен (в отдельных случаях для проведения измерений требуется привлекать промышленных альпинистов), многие зоны концентрации напряжений, в которых процессы усталости и коррозии развиваются наиболее интенсивно, могут быть просто недоступны для обследования, использование традиционных

способов визуального и инструментального обследования для оперативного контроля несущих строительных конструкций малоэффективно. Кроме этого, как показывает опыт обследований, техническое состояние несущих строительных конструкций зданий и сооружений с большепролетными конструкциями нельзя оценивать на основе ограниченного числа составляющих их элементов.

Ввиду этого требуется автоматизировать процессы мониторинга деформационного состояния строительных конструкций большепролетных зданий и сооружений с применением способов диагностики, основанных на измерении интегральных параметров строительных конструкций. Такой контроль позволяет выявить на ранней стадии изменения деформированного состояния строительных конструкций, вызванные не только внешними, но и внутренними, скрытыми дефектами и повреждениями. Среди способов, основанных на измерении интегральных параметров, широкое применение получили динамические способы диагностики деформированного состояния несущих строительных конструкций. В общем случае механическая безопасность здания или сооружения полностью определяется деформированным состоянием его несущих строительных конструкций, которое в свою очередь однозначно связано с его динамическими параметрами.

Проведен анализ современных автоматизированных систем контроля механической безопасности зданий и сооружений, используемых на реальных объектах и предлагаемых разными фирмами страны и международными фирмами. При этом сделан вывод о более высоком уровне автоматизированных систем, разработанных в нашей стране. Также сделан вывод о широком применении динамических способов диагностики несущих строительных конструкций для автоматизированного контроля механической безопасности зданий или сооружений.

При анализе существующих автоматизированных систем контроля механической безопасности сформулирован ряд требований, которые учтены при разработке СМДС-Б, а именно: цели проведения мониторинга; скорости протекания процессов и их изменение во времени; продолжительность наблюдений и их периодичность с учетом технического состояния объекта; ошибки измерений, в том числе за счет изменения состояния окружающей среды, а также влияния помех и аномалий природно-техногенного характера; возможность обеспечить при проведении длительных наблюдений и изменении внешних условий стабильность системы наблюдений; возможность обеспечить достоверность и полноту получаемой информации для выдачи обоснованного заключения о текущем техническом состоянии объекта и краткосрочного прогноза о его состоянии на ближайший период; сопоставимость получаемых данных с расчетными прогнозами, обеспечение возможности их сопоставления с данными, ранее полученными для объекта

В основу структуры разработанной СМДС-Б заложен модульный принцип независимого комплектования, что позволяет использовать, как все измерительные модули системы, так и отдельные ее измерительные модули, а также производить наращивание измерительных средств в каждом из модулей в зависимости от конфигурации и размеров объекта. Модульная схема СМДС-Б позволяет изменять структуру размещения измерительных модулей системы в зависимости от конкретного объекта и целей мониторинга, а также количества, состава, типов применяемых датчиков и мест их расстановки.

Вторая глава диссертации посвящена разработке способа диагностики несущих строительных конструкций и/или их частей и их элементов, методики, процедуре и регламенту его реализации на основе применения автоматизированных аппаратно-вычислительных средств, а

также разработке методологических основ проектирования автоматизированных систем контроля механической безопасности несущих строительных конструкций в процессе эксплуатации объекта, заложивших предпосылки к разработке нового способа.

Концептуально методологические основы проектирования автоматизированных систем контроля механической безопасное™ несущих строительных конструкций в процессе эксплуатации большепролетных зданий и сооружений, несмотря на различия в возможных вариантах конструктивных схем для таких объектов, основываются на следующих принципах:

1 На основе анализа возможных природно-техногенных воздействий, возможных неквалифицированных действий или отсутствия необходимых действий обслуживающего персонала, конструктивных особенностей объекта разрабатываются модели опасности для объекта;

2 На основе моделей опасности, с применением математического моделирования, а также учитывая особенности работы строительных конструкций, производится анализ поведения конструкций объекта при реализации таких опасностей и составляется методика проведения ранней диагностики. Определяется перечень частей и элементов конструкций объекта, которые необходимо контролировать, и для каждой части и каждого элемента конструкций составляется перечень контролируемых параметров;

3 На основе известных или специально разрабатываемых способов и методов контроля параметров конструкций, аппаратуры и оборудования для контроля составляется процедура проведения ранней диагностики технического состояния упомянутых частей и элементов конструкций объекта;

4 На основе опыта обследования и анализа поведения строительных конструкций, учета скоростей развития негативных процессов в конструкциях и степени возможного допущения изменения их напряженно-деформированного состояния разрабатывается регламент проведения мониторинга.

Для таких сложных строительных систем, которыми являются здания и сооружения с большепролетными конструкциями, при организации системы контроля механической безопасности несущих строительных конструкций необходим подход, учитывающий возможность реализации как сверхнормативных, так и новых не проектных природно-техногенных воздействий, а также возможное изменение деформационного состояния несущих строительных конструкций объекта в процессе его жизненного цикла

С учетом такого подхода на основе методологических принципов проектирования автоматизированных систем контроля механической безопасности разработан новый способ диагностики несущих строительных конструкций, позволяющий установить для какого элемента строительной конструкции или ее части снижена или потеряна несущая способность.

Методика проведения мониторинга основана на сравнительном анализе значений интегральных динамических параметров объекта, полученных с помощью математического моделирования и в результате их определения на реальном объекте. С помощью математического моделирования предварительно вычисляют частоты (в случае определения периодов и декрементов затухания основного тона и обертонов собственных колебаний строительных конструкций, а также здания в целом) или амплитуды (в случае определения передаточных функций для различных конструкций или их частей) для различных вариантов нагружения строительной конструкции, характеризующих ее предельную проектную несущую способность. При вычислении частот определяют количество обертонов, измеряемые величины которых наиболее существенно подвержены изменению при увеличении нагрузки на строительную конструкцию.

После этого производят определение этих параметров на реальном объекте. Направления координатных осей при натурных измерениях совпадают с направлениями координатных осей при моделировании. При определении частот выбирают место установки вибродатчика на объекте из условия максимального смещения по используемым для анализа тонам собственных колебаний объекта, и производят регистрацию колебаний по координатам X, У, Ъ в условиях микродинамического фона естественного и техногенного происхождения объекта, в условиях которого он постоянно находится. При определении амплитуд вибродатчики устанавливают вблизи вертикальной или продольной центральной оси строительной конструкции или каждой ее части простой пространственной формы, и производят регистрацию пространственных колебаний на противоположных границах исследуемой части относительно места приложения широкополосного импульса, как по высоте, так и по горизонтали. С помощью преобразования зарегистрированного сигнала из временной области в частотную с использованием интеграла Фурье вычисляют значения частот собственных колебаний или передаточной функции отдельной строительной конструкции или части конструкции.

Сравнивая результаты измеренных значений динамических параметров строительной конструкции с вычисленными с помощью математического моделирования значениями аналогичных динамических параметров, судят о степени приближения несущей способности конструкции к ее предельной проектной несущей способности.

С помощью математического моделирования также вычисляются частоты и амплитуды собственных колебаний строительной конструкции или ее частей для случаев потери, либо снижения несущей способности составляющих их элементов, чтобы на основе сравнения измеренных и вычисленных величин установить, для какого из составляющих строительную конструкцию или ее часть элементов снижена или потеряна несущая способность.

Процедура проведения мониторинга включает в себя способы и методы определения значений контролируемых параметров для несущих строительных конструкций, их элементов, соединений и узлов, подлежащих, в соответствии с принимаемым составом, контролю их технического состояния.

Особую актуальность применение разработанного способа имеет для мониторинга деформированного состояния несущих строительных конструкций покрытий зданий и сооружений с большепролетными конструкциями. В связи с этим рассмотрим реализацию способа на примере несущих большепролетных деревометаллических ферм покрытия Крытого конькобежного центра в г. Москве. На рисунке 1 приведена расчетная схема деревометаллической фермы покрытия Крытого конькобежного центра.

Рисунок 1 - Расчетная схема деревометаллической фермы покрытия Крытого конькобежного центра Для анализа изменения частот собственных колебаний фермы предварительно с помощью методов математического моделирования были вычислены частоты основного тона и четырех первых обертонов собственных колебаний фермы для различных случаев нагружения. Для сравнительного анализа использовались обертона, для которых происходит наиболее

существенное изменение частот при увеличении нагрузки на ферму. Также были вычислены частоты основного тона и четырех первых обертонов собственных колебаний фермы для случаев либо потери, либо снижения несущей способности составляющих ее элементов. Для этого в расчетную схему фермы вносились изменения, позволяющие смоделировать различные виды дефектов или их сочетания, снижающие механическую безопасность фермы.

В таблице 1 приведены вычисленные с помощью математического моделирования значения частот основного тона и четырех первых обертонов собственных колебаний фермы для четырех частных случаев дефектов: ферма не имеет дефектов, ферма с удаленным средним раскосом, ферма с удаленным крайним раскосом, ферма с удаленным наиболее напряженным раскосом. Также для каждого частного случая рассмотрены пять вариантов нагружения фермы: нагрузка от собственного и постоянного весов, кроме этого - с нагрузкой 1/4 от временной проектной, с нагрузкой 1/2 от временной проектной, с нагрузкой 3/4 от временной проектной, с временной проектной нагрузкой. Таким образом, в таблице 1 приведены характеристики 20 возможных напряженно-деформированных состояний фермы.

Таблица 1 - Значения частот основного тона и четырех первых обертонов собственных колебаний деревометаллической фермы

№ формы собственны х колебаний Частоты собственных колебаний фермы с нагрузкой от собственного и постоянного весов Частоты собственных колебаний фермы с нагрузкой от собственного и постоянного весов, и 1А1 отвремэоюй проектной нагрузки Частоты собственных Колебаний фермы с натру экой от собственного и постоянного весов, и 1/2 отвремэтной проектной нагрузки Частоты собственных колебаний фермы с нагрузкой от собственного и постоянного весов, и 3/4 от вреькнной проеэпгой нагрузки Частоты собственных колебаний фермы с нагрузкой от собственного и постоянного весов, и временной проекттюй нагрузки

1 ферма не дебетов 1 3.4 3,0 2,7 2.4 2,3

2 8,6 7,5 6,7 6,2 5,7

3 13.7 11,9 10,6 9,7 9,0

4 17.9 15,9 14,3 13,1 12,1

5 19,2 18,4 18,1 16,5 15,2

2 Ферма с удаленным средним раскосом 1 3.4 2,9 2,6 2.4 2,2

2 4.7 4,1 3,7 3.4 3,1

3 12,4 10,9 9,8 9.0 8,3

4 14,4 12,4 11,1 10,1 9.3

5 18.7 18,4 17,3 15,8 14,6

3 ферма с удаленным крайним раскосом 1 3.4 3,0 2,7 2,4 2,3

2 8,8 7,5 6.7 6.2 5,7

3 14.1 11.5 10,2 9,3 8.6

4 18,2 14,2 12,7 11,5 10,7

5 19,6 17,6 15,9 14.5 13,4

4 Ферма с удаленным наиболее напряженны м раскосом 1 3,0 2.6 2,3 2,1 2,0

2 8,3 7.3 6.5 6,0 5,5

3 8,7 7,8 7,1 6.6 6,1

4 14,9 12,8 11,4 10,4 9.6

5 18,9 20,0 16,0 14,6 13,5

В таблице 2 приведены значения отношений частот четырех обертонов собственных колебаний к частоте основного тона собственных колебаний. Из результатов видно, что значения соответствующих отношений частот собственных колебаний для каждого частного случая дефекта фермы не существенно изменяются при различных вариантах нагружения фермы, что позволяет исключить при анализе результатов мониторинга такой основной фактор, как изменение нагрузки (например, снеговой) на покрытии здания или сооружения.

Далее производилось измерение частот собственных колебаний деревометаллической фермы на реальном объекте. Регистрация сейсмических сигналов осуществлялась в диапазоне частот 1-50 Гц трехкомпонентными цифровыми вибродатчиками ПРДП-СМ-1 с частотой

дискретизации сигнала 200 Гц на канал и диапазоном измеряемых смещений МО"6 - 2,5-10"2 м. Расчет значений выполнялся в соответствии с разработанной практической методикой экспериментального определения значений периодов и декрементов затухания основного тона и обертонов собственных колебаний строительной конструкции, позволяющей с заданной точностью, в зависимости от значения доверительной вероятности, получать текущие величины контролируемых параметров. Учитывая продолжительность измерений и ошибки измерений (погрешность средств измерения, алгоритмов обработки и т.д.), общая погрешность измерений составила не более 1%. С учетом общей погрешности измерений в таблице 3 приведены диапазоны отношений расчетных значений частот собственных колебаний фермы.

Таблица 2 - Значения отношений частот четырех обертонов собственных колебаний к частоте основного тона собственных колебаний деревометаллической фермы_

№ фор*ш собственны х колебаний Отнотткние при нагрузке от соСственного н тюстоя иного весов Отношение при нагрузке от собственного и постоянного весов, и Ш от временной проектной нагрузки Отношение при нагрузке от собственного и постоянного весов, и 1/2 от временной проекттюй нагрузки Отношение при югру зке от собственного и постоянного весов, и 3/4 от врсмлтной проектной нагрузки Отношение при нагрузкеот собственного и постоянного весов, и временной проекттюй нагрузки

1 ^ й 1 « * 1Г © ч 1 2,5 2,5 2,5 2,5 2.5

2 4,0 4.0 4,0 4,0 4,0

3 5.2 5,3 5,4 5,4 5.3

4 5,6 6.2 6,8 6,8 6,7

2 Ферма с удаленны мсредним раскосом 1 1,4 1.4 1.4 1,4 1.4

2 3.7 3.7 3.7 3,7 3,7

3 4,3 4.2 4,2 4,2 4.2

4 5,5 6,3 6,6 6.6 6.6

3 »иг ! г £ 1 | III ® »■ I 1 2.6 2.5 2,5 2,5 2,5

2 4,1 3.8 3,8 3.8 3,8

3 5.3 4.8 4.7 4.7 4.7

4 5,7 5.9 5,9 5.9 5.9

4 II >1 1 «а 11 1 2,8 2,8 2,8 2.8 2.8

2 2,9 3.0 3,1 3.1 3,1

3 5,0 5,0 5,0 4.9 4,9

4 6,4 7,8 7,0 6.9 6,9

чы Таблица 3 Диапазоны отношений расчетных значений частот собственных колеб с погрешностью ¡Уо.

№ формы собственны* колебаний Отношение при нагрузке от собственного и постоянного весов Отношение при натру же от собстватного и постоянного весов, и Ш от временной проектной натру зки Опюшотие при нагрузке от собственного и постоянного весюв, и 1/2 от временной прожтной нагрузки Оттнтщение при нагрузке от собствешого и постоянного весов, и 1'4 от времетоюй проектной нагрузки Отошениепри нагру зке от собственного и постоянного весов, к временной проекттюй нагрузки

1 2 3 4 5

1 2.47 2.57 2.47 2,57 2,47 2,58 2.47 2.58 2.48 2.58

! 5 в 2 3,93 4.09 3,91 4,07 3,91 4,07 3.90 4.06 3,90 4,06

3 5,13 5.34 5.24 5,46 5,25 5,46 5,25 5,46 5,24 5,46

4 5.50 5.73 6,07 6,31 6,63 6,90 6.62 6,89 6,61 6,88

1 1,38 1.43 1.37 | 1,43 1.37 | 1.42 1.37 1.43 1.37 1.42

2 3,60 3,75 3,64 | 3,78 3,64 | 3,79 3,66 3.81 3,66 3.81

в 1М 3 4.19 4,36 4,15 4,32 1 4,13 I 4,30 4.13 4,29 4,11 4.27

4 5,44 5.66 6,17 6,42 | 6.44 | 6,70 6,44 6.71 6,42 | 6,68

5 5 1 ! 1111 1 2.50 2,60 2.47 2,57 2.47 2,57 247 2,57 2.47 2,57

2 4,03 4,19 3,77 3,92 3.74 3,90 3,73 3.88 3,73 3,88

3 5.20 5,41 4,68 4,87 4,65 4,84 4.63 4,82 4,62 4.81

4 5,60 5,83 5,80 6,04 5,82 6,06 5,81 6,05 5,80 6,04

0 5 у 1 * 1 | | * г II! Г1 1 2,76 2,87 2.77 2,89 2,77 2,89 2,78 2,89 2.77 2.88

2 2,89 3,01 2,96 3,08 3,02 3,14 3,06 3,19 3,09 3.21

3 4.92 5,12 4,88 I 5.08 4,86 I 5,06 4,85 | 5,05 4,83 5.02

4 6,24 6,50 7,62 | 7.94 6.83 | 7,11 6,81 | 7.09 6,78 7,05

Количественная оценка степени изменения деформированного состояния деревометаллической фермы на основании сравнительного анализа измеренных динамических параметров конструкции с вычисленными с помощью математического моделирования значений аналогичных динамических параметров показала высокую сходимость результатов, что в процессе эксплуатации позволяет на ранней стадии выявлять изменения деформированного состояния фермы и классифицировать вид дефекта или повреждения.

Проведенные предварительные расчеты деревометаплических ферм на основе их математического моделирования позволили в ходе мониторинга контролировать предельные величины частот собственных колебаний каждой фермы, до которых сохраняется их работоспособное техническое состояние, а следовательно, и работоспособное техническое состояние сооружения с учетом реальных условий эксплуатации.

Таким образом, полученные с помощью математического моделирования значения частот собственных колебаний фермы и измеренные значения частот собственных колебаний фермы позволяют надежно контролировать механическую безопасность строительных конструкций и/или их частей и их элементов и принять, при необходимости, меры для их восстановления, усиления или реконструкции.

В соответствии с принятым перечнем контролируемых строительных конструкций и перечнем контролируемых параметров для каждой из них, учитывая скорости развития негативных процессов в строительных конструкциях и степени возможного допущения изменения контролируемых параметров разрабатывается регламент проведения мониторинга. В регламенте проведения мониторинга деформированного состояния строительных конструкций определяются порядок, объем работ и периодичность измерений, которые зависят от состояния объекта: срока эксплуатации, отступлений от первоначального проекта, реальной ситуации на объекте, состояния и уровня внешних воздействий и т.д.

Третья глава диссертации посвящена разработке специализированных измерительных модулей для определения значений периода и декремента основного тона и обертонов собственных колебаний несущих строительных конструкций или их частей, и значений передаточных функций для различных строительных конструкций или их частей, а также созданию типового электронного банка данных для хранения и тематического поиска информации получаемой в процессе эксплуатации объекта.

При выборе средств измерения для каждого из измерительных модулей предварительно на основании анализа результатов расчетов строительных конструкций и практического опыта измерений были определены требуемые рабочие диапазоны их основных характеристик. Для определения значений периода и декремента затухания собственных колебаний и значений передаточной функции разработаны алгоритмы измерений, положенные в основу программного обеспечения измерительных модулей. В алгоритмах применены косвенные методы измерений, при которых регистрируются процессы колебаний несущих конструкций по трём взаимно перпендикулярным осям. Значения контролируемых параметров по каждой из осей определяются по результатам этих измерений расчётным путем, основанным на анализе частотных спектров мощности колебаний строительных конструкций, полученных с помощью преобразования Фурье. В качестве примера на рисунке 2 представлен алгоритм определения периода основного тона и обертонов собственных колебаний строительных конструкций. Аналогичным образом определяются значения декремента затухания собственных колебаний и значения передаточных функций.

Рисунок 2 - Алгоритм определения периода основного тона и обертонов собственных колебаний несущих конструкций

Для работы каждого измерительного модуля разработано специализированное программное обеспечение, позволяющее оператору отследить динамику изменений значений контролируемого параметра по конкретной строительной конструкции или по группе аналогичных конструкций для соответствующих параметров за определенный период времени; рассчитать в процентном отношении коэффициент использования несущей способности строительной конструкции по определенному контролируемому параметру в соответствии с начальным (нулевым) и предельно назначенным значениями для соответствующего контролируемого параметра; произвести экспресс-анализ полученной текущей информации и подготовить выводы по этапу мониторинга. На рисунке 3 представлено окно визуализации процесса регистрации смещений колебаний, а на рисунке 4 - окно визуализации результатов измерений периода и декремента затуханий собственных колебаний.

Для хранения и тематического поиска информации, получаемой в процессе эксплуатации объекта, разработан типовой электронный банк данных, включающий как результаты мониторинга, полученные с помощью СМДС-Б, так и результаты обследований технического состояния здания, а также сведения об изменениях на объекте (реконструкции, перестройках, восстановлениях и др.)

Рисунок 3 - Окно визуализации процесса Рисунок 4-Окно визуализации результатов регистрации смещений колебаний измерений периода и декремента затуханий

собственных колебаний

Для организации процесса хранения и извлечения информации из типового электронного банка данных была разработана форма представления модели реальности в ЭВМ, т.е. модель реальности адекватная модели данных с присущими ей формой представления данных и формой представления отношений между данными. Такая модель реализована в виде ориентированного графа, характеризующего общую логическую организацию информационных массивов и их отношений (рисунок 5). Отношения между информационными массивами представляют собой упорядоченные пары связей соподчинения узлов информационных массивов. Стрелками на рисунке 5 обозначены точки входа в древовидную структуру графа по параметрам поиска.

Изображенные на рисунке 5 информационные массивы соответствуют следующим объектам: А- станция мониторинга; Б -результаты мониторинга; В - результаты обследований; Г - журнал учета изменений технического состояния объекта; Д - паспорт объекта.

!

Б

! I

А В

Д г

Рисунок 5 - Ориентированный граф информационных массивов и их отношений

На основе представленной в электронном банке данных информации оператор станции имеет возможность в автоматизированном режиме подготовить в соответствии с требованиями ГОСТ Р 53778-2010 по состоянию на любую дату с начала эксплуатации объекта следующие технические документы: паспорт объекта; журнал учета изменений технического состояния объекта; заключение по этапу мониторинга или обследования технического состояния объекта; состав, характеристику средств измерений СМДС-Б и их размещение на объекте,

В четвертой главе диссертации описан аппаратно-вычислительный комплекс СМДС-Б, включающий новые (разработанные) и адаптированные специализированные измерительные модули для регистрации заданных проектом контролируемых параметров строительных конструкций и оригинального математического обеспечения для управления всеми измерительными модулями и контроля их работоспособности.

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:

1 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;

2 адаптеры для каждого измерительного модуля, осуществляющие связь измерительного оборудования модуля с компьютером;

3 устройства разветвления-согласования (а также связи), позволяющие в каждом измерительном модуле расширить количество используемых в модуле каналов измерений;

4 приборы регистрации тех параметров строительных конструкций, для которых разработан каждый измерительный модуль.

На рисунке 6 представлена блочная схема автоматизированной системы контроля механической безопасности зданий и сооружений с большепролетными конструкциями при их эксплуатации.

Рисунок б - 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 перечня основных параметров контроля деформированного состояния строительных конструкций большепролетных зданий и сооружений, в соответствии с которым обязательному контролю должны подлежать следующие характеристики:

• пространственное положение конструкций, в том числе площади опирания конструкций и прогибы конструкций;

• динамические характеристики конструкций;

• локальные деформации в конструкциях;

• крены фундаментов и колон;

• локальные потери несущей способности элементов конструкций;

• внутренние скрытые дефекты конструкций (для металлических конструкций);

• температура и относительная влажность воздуха в зоне расположения строительных конструкций (для деревянных конструкций);

• влажность древесины по сечению конструкций (для деревянных 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, с перечнем первичных приборов, преобразующих и регистрирующих устройств, в наибольшей степени соответствующих требованиям к рабочим диапазонам их основных характеристик, полученных на основании анализа результатов расчетов строительных конструкций и практического опыта измерений.

Аппаратно-вычислительный комплекс СМДС-Б представляет собой совокупность функционально ориентированных специализированных измерительных модулей и включает в себя:

• модуль контроля пространственного положения элементов конструкций;

• 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 измерения деформаций и усилий в конструкциях;

• модуль измерения кренов здания и его элементов;

• модуль визуального контроля технического состояния конструкций;

• модуль контроля возникновения внутренних дефектов элементов конструкций на основе метода акустической эмиссии;

• модуль измерения температурно-влажностного режима в зоне расположения строительных конструкций;

• модуль измерения влажности древесины по сечению конструкций;

• модуль регистрации сейсмических воздействий на конструкции.

В качестве системы связи и передачи данных от средств измерения на базовый компьютер, рассмотрены варианты организации как проводной, так и беспроводной системы на основе сверхширокополосных малогабаритных приемопередатчиков, использующих хаотический

сигнал в качестве носителя информации. Такая беспроводная система связи имеет значительные преимущества перед предыдущим поколением по таким характеристикам, как высокая устойчивость работы в сложных средах с многолучевым распространением; экологическая безопасность; стоимость; надежность; продолжительное время автономной работы (до 5 лет); электромагнитная совместимость; защищенность от несанкционированного доступа; максимально допустимое количество устройств в сети; масса и габариты.

В пятой главе рассматриваются вопросы реализации автоматизированной системы контроля механической безопасности зданий и сооружений с большепролетными конструкциями при их эксплуатации.

Экспериментальная апробация разрабатываемой автоматизированной системы контроля осуществлялась в ходе выполнения работ по созданию опытного образца модульной стационарной автоматизированной станции по контролю механической безопасности зданий с большепролетными конструкциями, предназначенного для использования в качестве базовой модели для адаптации к конкретным объектам для контроля их механической безопасности, а также как основа для отработки новых и усовершенствования принятых методов неразрушающего контроля несущих большепролетных строительных конструкций, и в качестве научного оборудования для профессиональной подготовки, переподготовки и повышения квалификации специалистов.

В опытный образец модульной стационарной автоматизированной станции по контролю механической безопасности зданий и сооружений с большепролетными конструкциями вошли девять измерительных модулей, разработанных для СМДС-Б, типовой электронный банк данных, а также оригинальное математическое обеспечение для управления всеми измерительными модулями и контроля их работоспособности.

Положения настоящей диссертации использовались при проектировании и устройстве стационарной автоматизированной станции мониторинга деформационного состояния несущих строительных конструкций Крытого конькобежного центра в Крылатском в г. Москве, главной особенностью которого является применение в качестве основного несущего элемента большепролетного покрытия радиальных деревометаллических ферм (рисунки 7 и 8), образующих двухпролетную неразрезную систему с опиранием внутренних ферм на монолитную железобетонную опору, внешних - на монолитные железобетонные колонны по скользящим опорам. Средней опорой для внутренних и внешних радиальных ферм является стальная полукольцевая балка, подвешенная через систему стальных вант. Контроль механической безопасности деревометаллических ферм и стальной полукольцевой балки осуществляется с помощью разработанного нового способа диагностики несущих строительных конструкций, их частей и элементов. В качестве измерительного модуля в первом случае используется модуль для определения периодов и декрементов затухания основного тона и обертонов собственных колебаний фермы, во втором - модуль определения значений передаточных функций дтя составных частей полукольцевой балки.

Разработанные методологические основы проектирования автоматизированных систем контроля механической безопасности и новый способ диагностики несущих строительных конструкций положены в основу проектирования автоматизированных систем мониторинга общественной зоны дня обслуживания пассажиров транспортно-пересадочного узла и посетителей ММДЦ «Москва-Сити», и пешеходно-травалаторной связи от набережной Тараса Шевченко и Кутузовского проспекта до ММДЦ «Москва-Сити». Указанные объекты расположены в условиях плотной застройки со сложными инженерно-геологическими

условиями и функционально объединены между собой в единый комплекс. Уникальностью этого комплекса является его протяженность и наличие больших пролетов между опорными конструкциями: общая протяженность только пешеходно-травалаторной связи составляет 315 метров, а ее центральный пролет над рекой Москва - 123 метра.

При проектировании автоматизированных систем контроля механической безопасности спортивных сооружений с большепролетными конструкциями в городе Сочи, где главной особенностью было расположение объектов в сейсмоопасном районе, в состав автоматизированной системы контроля включили измерительный модуль регистрации сейсмических воздействий на строительные конструкции, который позволяет получить информацию (в виде записей колебаний строительных конструкций), отображающую реальное поведение строительных конструкций в процессе воздействия сейсмических и других техногенных динамических нагрузок на сооружение, при автоматическом контроле превышения предельно назначенных значений ускорений несущих строительных конструкций объекта. Такие измерения позволят получить информацию о пространственном динамическом поведении строительных конструкций в период действия сейсмических и других техногенных динамических нагрузок, за счет регистрации процессов распределения повышенных нагрузок в зависимости от направления воздействия.

'1! 1 ;! 1

. , -С ---=532222^

- - '"Ш-*._____________

Рисунок 7-План покрытия с указанием Рисунок 8 - Разрез с указанием

мест размещения измерительного мест размещения измерительного

оборудования на деревометаллических оборудования на конструкциях

фермах сооружения. сооружения.

Положения настоящей диссертационной работы также использовались при разработке ГОСТ Р 53778-2010 «Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния» в части разработки требований и правил проведения мониторинга уникальных зданий и сооружений, в том числе с большепролетными конструкциями, и разработке ГОСТ Р 54859-2011 «Здания и сооружения. Определение параметров основного тона собственных колебаний» в части разработки требований к измерительному комплексу по определению 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».

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 На основании анализа инструментальных методов обследования и мониторинга технического состояния несущих строительных конструкций зданий и сооружений выявлено, что применение большинства из них для мониторинга объектов с большепролетными конструкциями является трудоемким и продолжительным процессом. Предложен новый способ диагностики, позволяющий на ранней стадии выявлять возникновение опасных тенденций изменения деформационного состояния несущих строительных конструкций зданий и сооружений с большепролетными конструкциями при их эксплуатации за счет контроля интегральных динамических параметров и локализовывать места таких изменений в пределах зоны небольшого строительного объема, на основе применения автоматизированных систем контроля механической безопасности объекта, что предусмотрено в ГОСТ Р 53778-2010 «Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния».

2 Для реализации нового способа разработана методика проведения мониторинга, позволяющая количественно оценить степень изменения деформированного состояния строительной конструкции с помощью сравнительного анализа измеренных с использованием преобразования Фурье значений с вычисленными на математической модели.

3 Разработаны методологические основы проектирования автоматизированных систем контроля механической безопасности несущих строительных конструкций большепролетных зданий и сооружений в процессе эксплуатации, учитывающие возможность применения этих систем также при возникновении как сверхнормативных, так и новых не проектных природно-техногенных воздействий.

4 Разработана практическая методика экспериментального определения значений периодов и декрементов затухания основного тона и обертонов 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 с общей погрешностью измерений не более 1% для их корректного сравнения с вычисленными величинами аналогичных динамических параметров.

5 На основании разработанной методики созданы специализированные измерительные модули, включающие основные первичные приборы, .преобразующие и регистрирующие устройства, соответствующие требованиям к рабочим диапазонам их основных характеристик, работоспособность которых подтверждена при измерениях на реальных объектах.

6 Разработан типовой электронный банк данных для хранения и тематического поиска информации, получаемой в процессе эксплуатации объекта с помощью автоматизированного мониторинга, на основании которой открываются возможности совершенствования конструктивных схем зданий и сооружений с большепролетными конструкциями и принятия решения о продлении срока эксплуатации объекта.

7 На основе совокупности теоретических и экспериментальных данных разработана автоматизированная система контроля механической безопасности зданий и сооружений с большепролетными конструкциями при их эксплуатации, включающая новые измерительные модули для определения значений динамических параметров строительных конструкций и адаптированные специализированные измерительные модули, позволяющие измерять контролируемые параметры для любых зданий и сооружений с большепролетными конструкциями.

8 Результаты диссертационной работы внедрены в практическую инженерную деятельность в ходе разработки 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 ряда зданий и сооружений, 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».

Основные положения диссертации изложены в работах:

1 Лысов, Д.А. Обеспечение конструктивной безопасности зданий и сооружений с большепролетными конструкциями [Текст]/ Д.А. Лысов // РУДН. Московская городская конференция молодых ученых «Современные проблемы инженерных исследований». -М., 2008. -С .24

2 Лысов, Д.А. Автоматизированные системы контроля конструктивной безопасности уникальных зданий и сооружений [Текст] / Д.А. Лысов// Тезисы доклада международной научно-практической конференции «Инженерные системы - 2011». -М., 2011.-С.75

3 Лысов, Д.А. Опыт проектирования автоматизированных систем мониторинга технического состояния зданий и сооружений с большепролетными конструкциями [Текст]/ В.В. Гурьев, В.М. Дорофеев, Д.А. Лысов // V международная научно-практическая конференция «Стройбезопасность-2007». -М., 2007. - С. 22-26;

4 Лысов, Д.А. Опыт проектирования стационарных автомазированных станций мониторинга технического состояния высотных зданий [Текст]/ В.М. Дорофеев, М.С. Дузинкевич, Н.В. Назьмов, Д.А. Лысов // Промышленное и гражданское строительство. -М., 2007. -№5. -С. 32-34.

5 Лысов, Д.А. Способ определения технического состояния строительных конструкций и/или их частей и их элементов [Текст]/ В.В. Гурьев, В.М. Дорофеев, Д.А. Лысов // Патент №2341623, кл. Е 04 В 1 /00, G 01 М 7/00,2008.

6 Лысов, Д.А. Опыт применения автоматизированной станции мониторинга деформационного состояния СМДС-В на объектах города [Текст]/ В.В. Гурьев, В.М. Дорофеев, В.Г. Катренко, Д.А. Лысов, Н.В. Назьмов // Материалы V Международной конференции-выставки «Уникальные и специальные технологии в строитсльствей.иЯТ-ВшШ 2008. -М., 2008г.-С.36-41;

7 Лысов, Д.А. Автоматизированные станции мониторинга деформационного состояния (СМДС) и их применение на объектах города [Текст]/ В.В. Гурьев, В.М. Дорофеев, И.И. Булыкин, Д.А. Лысов // Тезисы межрегиональной конференции «Проектирование инженерных систем и безопасности высотных зданий». -СПб, ОАО «Ленниипроект», 2008. -С.79-86.

8 Лысов, Д.А. Автоматизированная станция мониторинга технического состояния конструкций здания на объектах города [Текст]/В.В. Гурьев, В.М. Дорофеев, В.Г. Катренко, Н.В. Назьмов, Д.А. Лысов// Промышленное и гражданское строительство. -М., 2008.-№12.-С. 18-21;

9 Лысов, Д.А. О результатах комплексного обследования жилых зданий второго периода индустриального домостроения для их капитального ремонта [Текст]/ В.В. Гурьев, В.М. Дорофеев, М.С. Дузинкевич, Д.А. Лысов// Промышленное и гражданское строительство. -М., 2008. -№12. -С. 32-38;

10 Лысов, Д.А. Станции мониторинга деформационного состояния (СМДС) и их применение на строительных объектах [Текст] / В.В. Гурьев, В.М. Дорофеев, И.И. Булыкин, Д.А. Лысов // Стройпрофиль. -СПб., 2009. -Xsl (71). -С. 3-6.

11 Лысов, Д.А. К вопросу о контроле технического состояния ферм крытого конькобежного центра в Крылатском [Текст]/ В.М. Дорофеев, Д.А. Лысов, Е.П. Хайнер // Промышленное и гражданское строительство. -М., 2009. -№11. -С.23-26;

12 Лысов, Д.А. Автоматизированный контроль конструктивной безопасности уникальных объектов, включая высотные и большепролетные [Текст]/ В.В. Гурьев, В.М. Дорофеев, Д.А. Лысов, Н.В. Назьмов//Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. -М., 2011. -№2. -С.55-61;

13 Лысов, Д.А. Информационная система многоаспектного использования данных мониторинга технического состояния зданий и сооружений с большепролетными конструкциями [Текст]/ В.М. Дорофеев, Д А. Лысов // Промышленное и гражданское строительство. -М., 2011. -№1. -С.54-56;

14 Лысов, Д.А. Мониторинг технического состояния уникальных объектов, расположенных в сейсмически опасных регионах [Текст]/В.М. Дорофеев, Д.А. Лысов//Тезисы докладов общероссийской конференции «Инновационные технологии в строительстве - путь к модернизации России». -М., 2011 .-С.75;

15 Лысов, Д.А. Особенности проектирования автоматизированных стационарных систем мониторинга технического состояния несущих конструкций большепролетных спортивных сооружений Олимпиады 2014 в городе Сочи [Текст]/В.М. Дорофеев, Д.А. Лысов, A.C. Денисов// Промышленное и гражданское строительство. -М., 2011. -№12. -С.46-48.

Автор выражает большую признательность и благодарит к.ф.-м.н., Дорофеева В.М. за ценные советы и помощь в подготовке и выполнении исследований.

ч

' (V

¡а" >

I ?

'С2

Подписано в печать: 07.05.2013 Объем: 1,5усл.п.л. Тираж: 100 экз. Заказ: № 847 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, ул. Рождественка, д. 5/7 стр. 1 8 (495) 623-93-06; «ги^.ге^й. ги

Государственное унитарное предприятие Московский научно-исследовательский и проектный институт типологии, экспериментального проектирования (ГУП МНИИТЭП)

ЛЫСОВ Дмитрий Анатольевич

РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ С БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫМИ КОНСТРУКЦИЯМИ ПРИ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

04201357752

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор В.В. Гурьев

Москва-2013г.

Оглавление:

Введение...................................................................................................................4

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-вычислительный 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

ВВЕДЕНИЕ

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 их 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 несущих строительных конструкций [162].

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. В результате такой деятельности неоднократно возникали аварийные ситуации, примерами которых могут служить обрушения покрытия купола здания «Трансвааль парка» в городе Москва (2004г.), покрытия в бассейне "Дельфин" в городе Чусовой Пермского края (2005г.), покрытия Басманного рынка в городе Москва (2006г.), покрытия спорткомплекса в городе Благовещенске (2009г.), покрытия спорткомплекса в Выборгском районе Петербурга (2011г.) и др. Подобные аварии отмечены и за рубежом: обрушение покрытия терминала в парижском аэропорту Руасси - Шарль де Голль (2005г.), покрытия закрытого катка в городе Бад-Райхенхаль в Германии (2006г.), покрытия стадиона «Метродом» в Миннеаполисе США (2010г.) и др.[79-85]. Список таких трагических примеров можно еще продолжить - это только

одни из самых нашумевших за последнее время катастроф. Выше приведенные случаи говорят о крайней необходимости повышения механической безопасности уникальных объектов в процессе их эксплуатации. Только в городе Москве эксплуатируется свыше 650 крупных объектов (большепролётных, высотных и других уникальных зданий и сооружений), из которых более 250 зданий и сооружений с большепролетными конструкциями находится в собственности города. В результате проверки Государственной жилищной инспекцией города Москвы технического состояния зданий и сооружений с большепролетными конструкциями сотрудниками инспекции было выдано 322 предписания на устранение различных нарушений [85].

В настоящее время силами различных научно-исследовательских и учебных заведений, проектных организаций и частных фирм проводятся несогласованные работы по обследованию технического состояния отдельных зданий и сооружений города, в основном, как правило, объектов уже находящихся в аварийном состоянии. Большое количество зданий и сооружений с большепролетными конструкциями не охвачено вообще никаким контролем, хотя жизнедеятельность города динамично приводит как к ухудшению свойств грунтов, так и к негативным воздействиям силового и не силового характера на несущие строительные конструкции зданий и сооружений. Опыт показал, что общий характерный недостаток организации наблюдений (мониторинга) за механической безопасностью объекта - несвоевременное принятие решений о их ведении: непосредственно в ходе строительства, перед монтажом или в процессе монтажа несущих конструкций, когда появляются сомнения в надежной эксплуатации сооружаемого объекта, а за частую и после сдачи объекта в эксплуатацию [15,44,60,153]. Проведение таких обследований и мониторингов не всегда гарантирует безопасность эксплуатации объекта: результаты, полученные разными организациями, часто не сопоставимы и противоречивы, и во многих случаях заказчик затрудняется их использовать [11,73,90].

Повысить механическую безопасность зданий и сооружений с большепролетными конструкциями можно за счет организации в процессе

эксплуатации систематических наблюдений (мониторинга) за несущими строительными конструкциями, которые позволяли бы объективно своевременно на ранней стадии обнаруживать изменения напряженно-деформированного состояния несущих строительных конструкций, и контролировать происходящие опасные тенденции, приводящие к аварийным ситуациям, и обеспечивали проведение превентивных мероприятий, не допускающих возникновения аварийного состояния здания[26,28,37,112,115].

Целесообразность организации мониторинга на зданиях и сооружениях с большепролетными конструкциями продиктована и тем обстоятельством, что пока накоплен очень небольшой отечественный опыт проектирования и строительства таких зданий, нет данных о их долголетней эксплуатации и мониторинге, неполно изучен опыт проектирования и строительства зданий в США, Европе, Азии. Чем больше вникают в тематику строительства уникальных объектов, тем больше обнаруживают пробелы и в научных исследованиях, и в проектных решениях[128].

Вместе с тем возникают значительные трудности вследствие недостаточности нормативно-методической базы по вопросам безопасности строительных конструкций уникальных зданий и сооружений [33,37,73]. 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 их 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 их 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 конструкций, и требуют развития для возможности одновременного контроля совокупности большего числа конструктивных элементов, особенно для зданий и сооружений с большепролетными конструкциями.

Таким образом, 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 это оперативно с привлечением минимального необходимого количества специалистов [32,62].

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» [117,118].

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:

1 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;

2 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;

3 разработан регламент проведения мониторинга, определяющий порядок, объем и периодичность измерений при мониторинге;

4 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;

5 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;

6 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.);

7 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 548592011, 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 незави