Авторы: д.т.н. В.А. Котляревский, к-ты.т.н. С.П. Сущев, В.И. Ларионов, А.И. Перепелицын
Источник: http://www.esrc.ru/files/pages/Bezopasnost_truda_v_promishlennosti_2003_2004.doc
Проблема мониторинга устойчивости и остаточного ресурса высотных и большепролетных зданий и сооружений особенно актуальна в связи с возможными последствиями аварий таких зданий, масштабы которых, как показывает мировой опыт, могут выражаться сотнями и тысячами пострадавших.
Проблема старения основных фондов, особенно крупных зданий и сооружений, связана с возможностью возникновения аварий и техногенных катастроф, тем более что уровень эксплуатации и качество ремонта в последнее десятилетие резко снизился.
В ООО «Центр исследований экстремальных ситуаций» (ЦИЭКС) разработан мобильный диагностический комплекс «Стрела», обеспечивающий диагностику состояния эксплуатируемых зданий и сооружений,– установление дефектов конструкций и остаточного ресурса объекта в целом. Комплекс «Стрела» является дальнейшим развитием мобильного диагностического комплекса «Струна», разработанного в 1996-2000 годах ЦИ-ЭКС, как головной организацией, по заказу МЧС России в рамках Федеральной целевой программы «Федеральная система сейсмологических наблюдений», и широко апробированного на зданиях и сооружениях различного типа. Он представляет собой новое поколение аппаратуры для динамического анализа устойчивости зданий и сооружений, выгодно отличающийся своими тактико-техническими данными от отечественных и зарубежных аналогов.
В МДК «Стрела», на основании экспресс-анализа результатов диагностики, с использованием специально разработанных программных средств, оценивается прочность и устойчивость сооружения к проектным воздействиям, а для сейсмически активных регионов — его реальная сейсмостойкость. Кроме того, комплекс позволяет обнаруживать начальные несовершенства вводимых в эксплуатацию сооружений в сравнении с проектными характеристиками. Особенностью комплекса является возможность выявления скрытых повреждений, недоступных для обнаружения традиционными методами.
Функционирование комплекса основано на автоматической компьютерной операции анализа изменений спектральных характеристик диагностируемого сооружения сопоставлением (отношением) экспериментально замеряемых и расчетных (проектных) жесткостей опасных сечений конструкций по отношению квадратов соответствующих частот собственных колебаний.
Портативный программно-аппаратный комплекс является высокочувствительной многоканальной аппаратурой. Высокочувствительные сейсмовибрационные датчики (акселерометры) с диапазоном процессов от 0,1 Гц до 300 Гц позволяют исследовать как протяженные высотные объекты, имеющие большие периоды собственных колебаний, так и сооружения с жесткой конструктивной схемой. Связь датчиков с компьютером осуществляется посредством радиосвязи на дальности до 1 км. Для получения наиболее полной информации датчики устанавливаются на сооружении с учетом его расчетной схемы.
Рисунок 1 - Мобильный беспроводной диагностический комплекс «Стрела»
1. измерительные модули, каждый из которых содержит трехкоординатный акселерометр, микроконтроллерный блок обработки и управления, преобразователи сигналов, УКВ ЧМ радиостанцию и автономный источник электропитания;
2. базовый модуль, содержащий микроконтроллерный блок обработки и управления, аналого-цифровой преобразователь и УКВ ЧМ радиостанции;
3. переносной компьютер с батарейным электропитанием, оснащенный пакетом специализированного программного обеспечения для управления всеми функциями комплекса, визуализации, обработки и анализа данных с использованием различных алгоритмов цифровой обработки сигналов во временной и частотной областях.
В комплексе (рис. 1) можно выделить оконечные узлы (до 10) и центральный узел.
Каждый оконечный узел содержит трехкоординатный аналоговый датчик вибрации. Сигналы с датчика по трем каналам поступают через усилитель и контроллер на трехканальный блок модуляции, который осуществляет частотную модуляцию сигнала радиопередатчика данного оконечного узла для последующей передачи на центральный узел. Радиосигнал, принятый на центральном узле радиоприемником, настроенным на несущую частоту радиопередатчика соответствующего оконечного узла, подвергается детектированию в блоке детектирования. После детектирования получаются три аналоговых сигнала, повторяющие по форме сигналы на выходе датчика вибрации оконечного узла. Эти сигналы поступают через аналого-цифровой преобразователь на компьютер, где подвергаются обработке и анализу с помощью соответствующего программного обеспечения.
Центральный узел содержит два пульта управления: пульт управления радиотрактом и командный пульт. Все радиостанции комплекса являются приемопередающими станциями, работающими в 433-434-мегагерцовом режиме, что позволяет им поддерживать постоянный контакт между собой на дальности до 1 км.
Использование комплекса для контроля прочности, устойчивости и остаточного ресурса сооружений реализовано на существенно различных по конструкции объектах трех типов: гражданских и промышленных зданиях (одноэтажные и многоэтажные здания различной конструкции и различных материалов), высотных сооружениях (башни, мачты, промышленные дымовые и вентиляционные трубы) и заглубленных в грунт конструкций (свайные и железобетонные основания).
Проверка допустимости зафиксированного остаточного ресурса осуществляется прочностным расчетом ослабленной износом конструкции методами строительной механики и динамики сооружений на действие эксплуатационных нагрузок с учетом изменения прочностных свойств конструкционных материалов за период эксплуатации с использованием специально разработанных программных средств.
Основные операции по определению физического состояния зданий и сооружений, в частности - высотных, в условиях их обтекания ветровым потоком, следующие:
1. Регистрация (осциллографирование) вибраций в различных точках сооружения в местах возможных амплитуд первых трех форм собственных колебаний. При возможности - синхронная запись изменения со временем давления скоростного напора ветра. Продолжительность процесса регистрации устанавливается автоматически, допуская ее разбиение на отдельные представительные записи для формирования ансамбля реализаций случайного процесса.
2. Обработка зарегистрированных вибраций и функций времени скоростного напора: удаление трендов, сглаживание, балансировка стационарной части процесса, переход из временной области в частотную методом быстрого преобразования Фурье (БПФ), т.е. получение амплитудных частотных спектров вибраций сооружения и ветровой нагрузки.
3. По полученным спектрам построе ние передаточной функции и фиксация ее экстремумов, как экспериментальных частот собственных колебаний конструкции, логарифмических декрементов собственных колебаний, распределение амплитуд поперечных и продольных колебаний по высоте сооружения. При не возможности (для высотных сооружений) экспериментально фиксировать изменение скоростного напора - в качестве ветрового спектра используется один из стандартных спектров ветра (Давенпорта, Кеймала или др.) с включенной частотой срыва вихрей.
4.Расчетное определение частотсобственных колебаний сооружения по исходным проектным данным с использованием программных средств.
5.Определение прочности, устойчивости, износа и остаточного ресурса сооружения с помощью программных средств. Для сооружений в сейсмически опасных районах - расчетное определение остаточного ресурса по сейсмостойкости.
Как известно, в строительных конструкциях появление дефектов вызывает уменьшение площадей рабочих сечений и моментов инерции от проектных параметров. Механические характеристики материалов (модуль упругости, коэффициент Пуассона, нормативное сопротивление конструкционных материалов) также могут отличаться от проектных значений как вследствие естественной неоднородности, так и по технологическим причинам. В процессе эксплуатации конструкций и в связи с эффектами старения происходит дальнейшее снижение указанных параметров и, следовательно, - несущей способности. Характерно, что при этом не происходит заметного снижения материалоемкости конструкций.
Процедура оценки физического состояния сооружения в целом устанавливается циклом анализа по основным несущим конструктивным элементам. В предположении, что при оценке прочности и устойчивости сооружений можно пренебречь изменением массовых характеристик, несущую способность можно охарактеризовать изгибной же¬сткостью опасных сечений несущих кон-структивных элементов B=EJ, т.е. произведением модуля упругости E на момент инерции нормального сечения J. Указанные предпосылки дают возможность оценивать несущую способность сооружения по спектру частот собственных колебаний по собственным формам.
Далее полагают, что начальное состояние конструкции соответствует некоторым исходным (проектным) данным, т.е. если сооружение запроектировано на несущую способность от конкретной нагрузки, то процент уменьшения жесткости будет соответствовать снижению данной (проектной) несущей способности. Если сооружение предназначено для службы в сейсмически активном районе, т.е. по проекту является сейсмостойким на G баллов, то процент уменьшения жесткости будет соответствовать снижению указанного ресурса сейсмостойкости.
При использовании данного метода расчетные частоты определяют программными средствами с учетом градиентности параметров сооружения по координатам, слоистости и разнотипности поперечных сечений, а также упругой податливости грунтового основания. Т.е. точность и достоверность экспресс-метода достигается за счет принятия во внимание при расчете таких факторов, как неравномерность распределения инерционных (массовых) и жесткостных характеристик по координатам, податливость опорного сечения конструкции и композитность структуры сечений.
Для протяженных объектов типа дымовых и вентиляционных труб, как правило, используются записи колебаний, вызванных ветровыми нагрузками. Практически в указанных условиях происходит возбуждение всех форм собственных колебаний сооружения. Пример оценки устойчивости высотного здания приведен на рис. 2.
Рисунок 2 - Пример компьютерной модели оценки устойчивости высотного здания
В ходе измерений регистрируют акселерограммы, т.е. изменения во времени ускорений различных точек объекта, а также (при возможности) синхронно-скоростного напора ветра.
Простейшая схема измерений представляет вертикальный и горизонтальный створы, при этом точки измерения могут быть "прорежены" (через одну точку измерения в каждом створе). Более детальные схемы измерения могут включать, например, один полный вертикальный створ и один или два "прореженных", а также полный или "прореженный" горизонтальный створ. При "прореживании" вертикального створа рекомендуется в нижней части объекта оставлять все точки измерения, число которых зависит от количества анализируемых форм колебаний, требуемой детальности построения эпюр и предварительной информации о поврежденности конструкции. При ограниченном количестве акселерометров возможна их поочередная перестановка в различные точки измерения. При этом должна быть, по крайней мере, одна общая точка измерения, используемая для нормирования амплитуд колебаний при построении эпюр по нескольким расстановкам датчиков.
Результаты обследования состояния зданий и сооружений, полученные с применением МДК "Стрела", хорошо коррелируют с результатами, полученными при применении других методов диагностики, и позволяют выявить причины повреждений отдельных частей и конструкций, прогнозировать скорость их износа и определить остаточный ресурс.
Результаты обследования и оценки технического состояния - основа для принятия решения о возможности дальнейшей эксплуатации технических устройств, зданий и сооружений, которое должно быть оформлено в виде заключения экспертизы промышленной безопасности.
Период, на который может быть продлен срок эксплуатации, устанавливается исходя из результатов проведения экспертизы промышленной безопасности и определяется остаточным ресурсом.