Мониторинг виды в строительстве

Организованное систематическое наблюдение, называемое мониторингом, проводится с целью оценки, контроля и прогноза технического состояния зданий и сооружений, а также своевременного выявления тенденций негативного изменения.

В соответствии с рекомендациями нормативно-технических документов в области мониторинга технического состояния зданий и сооружений составление технического заключения об их состоянии должно предшествовать разработке проектно-сметной документации на их реконструкцию, переоборудование, капитальный ремонт.

Вместе с тем, в последние десятилетия на территории России осуществляется строительство уникальных зданий и сооружений, отличающихся нестандартными конструктивными решениями, новыми конструкционными материалами, новыми технологиями возведения и, нередко, недостаточно высокой квалификацией как проектировщиков, так и исполнителей строительно-монтажных работ и т.д. К числу этих сооружений относятся высотные жилые дома и административные здания, памятники архитектуры, мосты, туннели и т.д. Опыт эксплуатации этих сложных и дорогостоящих объектов показывает, что уже после первых нескольких лет после сдачи в эксплуатацию имеют место серьезные недостатки, влияющие и на длительность и даже вообще на возможность их безопасной эксплуатации. Это обусловливает необходимость проведения не периодического после длительной эксплуатации, а практически непрерывного наблюдения за техническим состоянием конструкций таких объектов, т.е. мониторинга их технического состояния.

Геомониторинг. Геотехнический мониторинг строительства.

Старение зданий и сооружений, приводящее в конечном итоге к разрушению, как отдельных конструктивных элементов, так и объекта в целом, диктует необходимость развития системы мониторинга технического состояния, которое проводят для:

• контроля технического состояния зданий и сооружений и своевременного принятия мер по устранению возникающих негативных факторов, ведущих к ухудшению этого состояния;
• выявления объектов, на которых произошли изменения напряженно-деформированного состояния несущих конструкций и для которых необходимо обследование их технического состояния;
• обеспечения безопасного функционирования зданий и сооружений за счет своевременного обнаружения на ранней стадии негативного изменения напряженно-деформированного состояния конструкций и грунтов оснований, которые могут повлечь переход объектов в ограниченно работоспособное или в аварийное состояние;
• отслеживания степени и скорости изменения технического состояния объекта и принятия в случае необходимости экстренных мер по предотвращению его обрушения.

Мониторинг (в широком смысле, от лат. Monitor – предостерегающий) – специально организованное, систематическое наблюдение за состоянием объектов, явлений, процессов с целью их оценки, контроля или прогноза.

Система мониторинга представлена на рис.1.

Геодезический мониторинг. Что необходимо знать?

Рис.1 – Система мониторинга

Мониторинг – система наблюдений и контроля, производимых регулярно, по определенной программе для оценки состояния зданий и сооружений, анализа происходящих процессов и своевременного выявления тенденций негативного изменения.

Наблюдение – система мероприятий, обеспечивающих определение параметров, характеризующих состояние зданий и сооружений, отдельных элементов, видов воздействия.

Контроль – сопоставление полученных данных о состоянии зданий и сооружений с установленными критериями и нормами воздействия с целью оценки их соответствия.

Таким образом, из всего вышеперечисленного, мониторинг зданий и сооружений представляет собой контроль за функционированием различных систем: надежности всей конструкции, инженерной сети и ее отдельных узлов, контроль за состоянием грунтового массива и т.д. Все это включает инженерные исследования, геодезические измерения, инженерно-геологические изыскания, измерение возможных деформаций и еще целого комплекса необходимых измерений. В настоящее время мониторинг и обследование зданий регламентируется согласно СП 13 102-2003 «Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений», принятые и рекомендованные к применению в качестве нормативного документа в системе нормативных документов в строительстве постановлением Госстроя России от 21 августа 2003 года №153.

Существует 4 этапа мониторинга, их взаимосвязь представлена на рис.2.

Рис.2 – Этапы мониторинга

Мониторинг технического состояния зданий и сооружений является самостоятельным направлением строительной деятельности, охватывающим комплекс вопросов, связанных с обеспечением эксплуатационной надежности зданий, с проведением ремонтно-восстановительных работ, а также с разработкой проектной документации по реконструкции зданий и сооружений.

В зависимости от поставленных задач обследования зданий и сооружений охватывают следующие этапы:

• предварительное обследование (определение общего состояния строительных конструкций, определение состава исследований, сбор первичной информации по объекту);
• детальное инструментальное обследование (направлено на выявление факторов, формирующих производственную среду и сравнение с нормативными требованиями; технического состояния несущих и ограждающих конструкций);
• определение физико-технических характеристик материалов обследуемых конструкций в лабораторных условиях;
• обобщение результатов обследований.

На практике постоянный мониторинг по экономическим со¬ображениям предпринимается достаточно редко и только по от¬ношению к отдельным сооружениям, причем по большей части с конкретными задачами. С общеметодической точки зрения такой мониторинг правильнее было бы назвать «длительным специаль¬ным обследованием» или «подконтрольной эксплуатацией» инже¬нерного сооружения.

Для подобной практики имеются, как минимум, три основания:

• дороговизна оборудования;
• сложность обработки больших массивов постоянно поступа¬ющей информации и неотработанность механизмов оперативного принятия решения на ее основе;
• ограниченность номенклатуры доступных к универсальному использованию приборных систем, предназначенных для этой цели.

Мониторинг и первое обследование технического состояния зданий и сооружений проводится не позднее чем через два года после их ввода в эксплуатацию. В дальнейшем мониторинг проводится не реже одного раза в 10 лет и не реже одного раза в пять лет для зданий и сооружений или их отдельных элементов, работающих в неблагоприятных условиях (агрессивные среды, вибрации, повышенная влажность, сейсмичность района 7 баллов и более и др.). Для уникальных зданий и сооружений устанавливается постоянный режим мониторинга.

Повторное обследование зданий и их элементов, находящихся в аварийном состоянии, – раз в шесть месяцев, находящихся в ветхом состоянии – раз в год, в неудовлетворительном состоянии – раз в два года, а также выборочное обследование отдельных конструкций и систем по запросам владельцев при выходе их из строя, повреждениях, нарушениях режимов с ежегодным анализом всех заявок, поступивших в объединенные диспетчерские системы (ОДС), для планирования текущего ремонта и технического обслуживания (ТО).

Обследование и мониторинг технического состояния зданий и сооружений проводятся специализированными организациями, оснащенными современной приборной базой и имеющими в своем составе высококвалифицированных и опытных специалистов. Требования к специализированным организациям, осуществляющим обследование и мониторинг технического состояния зданий и сооружений, определяются федеральным органом исполнительной власти, уполномоченным на ведение государственного строительного надзора. Федеральным органом исполнительной власти, уполномоченным на ведение государственного строительного надзора, также ведется реестр специализированных организаций.

Обследование и оценка технического состояния представлены на рис.3.

Рис.3 – Обследование и оценка технического состояний зданий и сооружений

Мониторинг технического состояния зданий и сооружений проводят также:

• по истечении нормативных сроков эксплуатации зданий и сооружений;
• при обнаружении значительных дефектов, повреждений и деформаций в процессе технического обслуживания, осуществляемого собственником здания (сооружения);
• по результатам последствий пожаров, стихийных бедствий, аварий, связанных с разрушением здания (сооружения);
• по инициативе собственника объекта;
• при изменении технологического назначения здания (сооружения);
• по предписанию органов, уполномоченных на ведение государственного строительного надзора.

При выборе системы наблюдений необходимо учитывать цель проведения мониторинга, а также скорости протекания процессов и их изменение во времени, продолжительность измерений, ошибки измерений, в том числе за счет изменения состояния окружающей среды, а также влияния помех и аномалий природно-техногенного характера. Программу проведения мониторинга согласовывают с заказчиком. В ней, наряду с перечислением видов работ, устанавливают периодичность наблюдений с учетом технического состояния объекта и общую продолжительность мониторинга. Методика и объем системы наблюдений при мониторинге, включая измерения, должны обеспечивать достоверность и полноту получаемой информации для подготовки исполнителем обоснованного заключения о текущем техническом состоянии объекта (объектов).

До начала проведения мониторинга собираются и анализируются архивный материал, содержащий информацию о техническом состоянии здания, сооружения или жилого комплекса, выполненных ремонтных работах, акты и предписания специализированных эксплуатационных организаций о состоянии инженерного оборудования (лифты, противопожарная автоматика и дымоудаление, электроснабжение, вентиляция). На основании этих данных выдается задание на обследование каждого дома с учетом особенностей зданий и наиболее слабых элементов.

Осматривают все подвалы, чердаки, лестничные клетки, общие холлы и т. д. Выборочно проверяют квартиры, обязательно на первых и последних этажах, в торцовых секциях. Минимальный осмотр составляет 25% от общего количества квартир в доме. В каждом помещении обследуются все конструкции и инженерное оборудование. Описание дефектов заносится в рабочий журнал.

При невозможности определить причины деформаций и повреждений визуальным способом проводится дополнительное инструментальное обследование, при этом особое внимание уделяется аварийным участкам и узлам – их описывают более подробно. Полностью осматривают кровли и фасады. Для различных типов зданий установлен объем выборки количества обследования квартир. При обследовании инженерных систем выделяются их части в подвалах, квартирах, на чердаках. Непосредственно в ходе мониторинга выдаются рекомендации и предписания на необходимые срочные ремонтно-восстановительные работы.

После проверки всех помещений полученная информация с учетом данных архива классифицируется по видам конструкций и систем. В бланк, заполняемый на каждое строение, заносят паспортные данные и сведения о капитальных ремонтах, приведенных в здании.

В разделе «Результаты обследования» отмечается техническое состояние 23 элементов здания по схеме:

• конструкция;
• перечень дефектов и повреждений;
• объем повреждений в процентах от общего объема элемента;
• общая характеристика технического состояния элемента.

Описание дефектов и повреждений осуществляется по методике определения физического износа жилых зданий (ВСН-53-86 (р). В ВСН-53-86 (р) дано подробное описание возможных дефектов и повреждений конструкций и систем различной модификации элементов с указанием минимального объема контроля.

Техническое состояние каждого элемента оценивается как аварийное, когда требуется срочный ремонт или замена (А), неудовлетворительное (Н) и удовлетворительное (У).

По совокупности состояния элементов техническое состояние здания оценивается как аварийное, когда конструкции грозят обрушением; неудовлетворительное, если эти характеристики преобладают в большинстве элементов; частично неудовлетворительное, если в неудовлетворительном состоянии находятся только несколько элементов, и удовлетворительное.

Мониторинг технического состояния зданий и сооружений выполняется высококвалифицированными специалистами, прошедшими специальный курс обучения. Достоверность данных обследования выборочно проверяет руководитель бригады в каждом административном округе города, техническое состояние оценивается в присутствии представителей владельца здания и подрядной организации, отвечающей за его эксплуатацию.

В выходном документе (заключении о техническом состоянии жилого строения) отражаются:

• паспортные данные (серия здания, год постройки, физический износ по данным БТИ и другое);
• информация о наличии технической документации на здание (технические заключения, проекты ремонта и т. п.);
• результаты предыдущего обследования технического состояния.

Также в данном документе приводится информация о выполнении рекомендаций предыдущего обследования по капитальному ремонту элементов здания (включая объем ремонта); затем результаты обследования технического состояния конструкции и систем здания с указанием объема повреждений по состоянию на день обследования; далее данные специализированных эксплуатационных организаций о техническом состоянии систем вентиляции, газоходов, лифтов, электроснабжения, газоснабжения, противопожарной автоматики и дымоудаления и дополнительные данные, освещающие индивидуальные особенности зданий и состояние их конструкций. В итоге делаются выводы по результатам обследования по зданию в целом и рекомендации по ремонтно-восстановительным работам на ближайшие пять лет.

Результаты мониторинга используются при:

Накопленная и формализованная информация дает возможность решать оперативные и стратегические задачи по организации технического обслуживания и капитального ремонта жилищного фонда.

Инструментальный мониторинг зданий, а также существующие в настоящее время компьютерные программы позволяют представлять и анализировать возможные варианты планов технического обслуживания и капитального (текущего) ремонта, выбирать из них экономически выверенные и рациональные.

Инструментальный мониторинг конструкций и оснований зданий опирается, в основном, на четыре класса методик, которые представлены в Таблице 1.

Классы методик инструментального мониторинга зданий и сооружений

Существует набор схем как разной трудоемкости и стоимости, так и разной разрешающей способности и информативности — от измерений в отдельных скважинах до межскважинного просвечивания (вплоть до получения 3-мерного томографического изображения).

В зависимости от выбора датчиков, можно вести мониторинг дифференциальных (послойных) или суммарных осадок грунтов основания, уровня воды, порового давления в породах (параметра, используемого в расчетах за рубежом). Помимо скважин, важную информацию получают при размещении под фундаментной плитой сети датчиков давления на грунт, в сваях — вертикальных нагрузок.

Наблюдения могут вестись непрерывно или достаточно часто по времени, т.е. есть возможность следить за особенностями динамики объекта.

Замеры по данной методике могут выполняться различными измерительными устройствами:

сейсмометрами (велосиметрами, акселерометрами).

Схемы наблюдений разнообразны, включают варианты возбуждения колебаний здания как искусственными (удары, вибраторы), так и естественными (ветер, микросейсмы) источниками. Сейсмометрические измерения дают «мгновенную» картину состояния объекта, наблюдая которую во времени можно получить разнообразную информацию об особенностях динамики сооружения.

Следует отметить, что если первые три типа наблюдений дают в основном «прямую» информацию (величины осадок, нагрузок и пр.), то регистрация колебаний требует как достаточно сложной предварительной обработки, так и создания моделей динамики сооружения. Особенностью сейсмометрических методик является то, что схемы наблюдений могут быть достаточно простыми (вплоть до одной точки). Кроме того, они дают возможность контролировать не только величины ускорений, но и, как показано ниже, позволяют судить о совместной работе здания и грунтов основания, в том числе выявить неизвестные ранее явления.

В связи с наращиванием объемов воспроизводства жилищного фонда, объем мониторинга зданий и сооружений увеличивается с каждым годом, что является следствием ряда факторов: физического и морального их износа, перевооружения и реконструкции производственных зданий промышленных предприятий, реконструкции малоэтажной старой застройки, изменения форм собственности и резкого повышения цен на недвижимость, земельные участки и др. Особенно важно проведение мониторинга зданий и сооружений, что часто связано с изменением действующих нагрузок, изменением конструктивных схем и необходимостью учета современных норм проектирований зданий. В процессе эксплуатации зданий вследствие различных причин происходят физический износ строительных конструкций, снижение и потери их несущей способности, деформации как отдельных элементов, так и здания в целом. Таким образом, для разработки мероприятий по восстановлению эксплуатационных качеств конструкций, необходим мониторинг с целью выявления причин преждевременного износа понижения их несущей способности.

Литература:

• ВСН-53-86 (р) «Правила оценки физического износа жилых зданий».
• СП 13 102-2003 «Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений».
• Мищенко В.Я., Баринов В.Н., Горбанева Е.П., Назаров А.Н. Энергетическое обследование (энергоаудит) объектов социальной сферы/ Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура. – 2012.№1. – С.77-84.
• Мищенко В.Я., Горбанева Е.П. Оптимизация распределения ресурсов в задачах по созданию и содержанию объектов недвижимости/ В сборнике: Актуальные проблемы строительства и недвижимости межвузовский сборник научных трудов. Воронежский государственный архитектурно-строительный университет. Воронеж, 2004. С. 81-86.
• Мищенко В.Я., Горбанева Е.П., Мануковский А.Ю., Сафонов А.О. Генетические алгоритмы в решении многокритериальных задач оптимизации распределения ресурсов при планировании энергосберегающих мероприятий: Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура. — 2014. № 3 (35). — С. 77-82.
• Мищенко В.Я., Горбанева Е.П., Зубенко К.Ю. Cоциально-экономическая эффективность санации жилой застройки/ Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура. 2008. № 1. С. 103-107.
• Горбанева Е.П., Мищенко В.Я., Мануковский А.Ю., Сафонов А.О. Исследование возможности повышения энергоэффективности в бюджетной сфере Воронежской области/ Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Инновации в строительстве. 2014. № 1. С. 17-23.
• Сервейинг: организация, экспертиза, управление/ Лаур А., Ахмедова З.А., Лебедев И.М., Беляков С.И., Бутырин А.Ю., Грабовый К.П., Волков А.А., Волков Р.В., Кириллова А.Н., Луняков М.А., Мищенко В.Я., Никифорова Т.П., Устинова Ю.В., Орлов А.К., Павлова Л.И., Римшин В.И., Марков С.В., Семернин Д.А., Сорокин В.В., Сорокина Н.И. и др.// Учебник: в 3-х частях. Том Часть II Экспертиза недвижимости и строительный контроль. – Москва, 2015.
• Матренинский С.И., Мищенко В.Я., Спивак И.Е., Зубенко К.Ю. Методологический подход к оценке морального износа территорий массовой жилой застройки/ Промышленное и гражданское строительство. 2008. № 11. С. 59-62.
• Мищенко В.Я., Драпалюк Д.А., Солнцев Е.А. Мониторинг дефектов и учет старения строительных конструкций жилого фонда/Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура. 2009. № 4. С. 118-123.
• Мищенко В.Я., Головинский П.А., Драпалюк Д.А. Прогнозирование темпов износа жилого фонда на основе мониторинга дефектов строительных конструкций/ Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура. 2009. № 4. С. 111-117.
• Мищенко В.Я., Баркалов С.А., Курочка П.Н. Моделирование и автоматизация организационно-технологического проектирования строительного производства. – Воронеж, 1997.

Елена Горбанева, к.т.н., доцент кафедры технологии, организации строительства, экспертизы и управления недвижимостью, ВГТУ, г. Воронеж;

Источник: in-regional.ru

Мониторинг виды в строительстве

В последние десятилетия всё большее распространение стало получать строительство уникальных зданий и сооружений. Это обусловлено как нарастающим в крупных городах дефицитом земли, приводящим к необходимости возведения зданий высокой этажности (выше 100 м), так и проведением масштабных спортивных мероприятий, предъявляющих повышенные требования к возводимым спортивным сооружениям.

Основным отличием особо опасных, технически сложных и уникальных (по ст. 48.1 [2]) объектов является меньшая изученность происходящих в них процессов и значительно возрастающая сложность расчётов, которые для менее сложных объектов во многих случаях могут заменяться готовыми формулами из существующих сводов правил.

В связи с этим при возведении подобных сооружений является усиленный мониторинг наиболее ответственных несущих конструкций, в частности, автоматизированный удаленный мониторинг датчиков. Впервые автоматизированная система мониторинга зданий и сооружений появилась и стала развиваться в странах дальнего зарубежья (США, Канада, страны ЕС), там же появились стандарты мониторинга. В России данная технология имеет распространение с 2000-х годов и регламентируется ст. 6.5 [1].

Несмотря на то, что прямое указание на необходимость мониторинга в ГОСТ приведено только в случае уникальных зданий и сооружений, по желанию заказчика для получения более подробной информации о состоянии объектов часто также предусматривается автоматизированный мониторинг.

В данной статье рассматриваются различные способы мониторинга, различные типы измерительного оборудования, контролируемые параметры и интерпретация результатов измерений, а также некоторые технические аспекты процесса мониторинга.

Типы объектов и контролируемые параметры

На уникальных зданиях и сооружениях автоматизированная система мониторинга устанавливается в обязательном порядке согласно п. 6.5.4 [1]. На прочих объектах данная система может устанавливаться по желанию владельца объекта.

Согласно Градостроительному кодексу РФ здания и сооружения относятся к уникальным, если:

• высота объекта более 100м;
• наличие пролёта более 100м;
• наличие консоли более 20м;
• заглубление подземной части более 15м.

Высота более 100м характерна для многих современных зданий с большой этажностью.

Наличие пролёта более 100м и/или консоли более 20м характерно для таких объектов, как современные футбольные стадионы со значительной вместимостью и сложным покрытием.

Заглубление подземной части более 15м характерно для объектов с мощным (часто коробчатым) фундаментом, несущим значительную нагрузку. Это характерно, в частности, для многих высотных зданий высотой более 200-300м.

Высотные здания подвержены значительной ветровой нагрузке, поэтому одним из важнейших параметров при их мониторинге являются колебания здания по высоте. Измерение этих колебаний позволяет определить собственные значения и амплитуды колебаний.

Пролеты протяженностью более 100м, а также консоли более 20м подвержены значительным колебательным и деформационным нагрузкам, что обуславливает целесообразность мониторинга их колебаний и деформаций, см. рис.1.

Во многих уникальных зданиях имеются несущие конструкции, воспринимающие основную нагрузку (например, в высотных зданиях такими могут быть несущие колонны при каркасной или ядро, колонны и аутригеры при каркасно-ствольной системе и т.д.), см.. рис.2. Такие конструкции подвержены значительным деформациям и кренам.

Рис.1. Пример контролируемых конструкций на стадионе

Рис.2. Пример контролируемых конструкций в высотном здании.

Основным преимуществом автоматизированного мониторинга является возможность получения показаний в режиме реального времени, без привлечения геодезиста и проведения дополнительных работ. В случае резкого изменения напряжённо-деформированного состояния конструкций появляется возможность оперативно отреагировать на это изменение и провести более тщательную проверку состояния конструкций. При необходимости производится обследование конструкций согласно п. 6.5.6 [1].

Примеры концепций мониторинга

АО «КТБ ЖБ» проводило анализ геотехнического мониторинга на участке №2,3 ММДЦ «Москва-СИТИ»» [3], в том числе работы автоматизированной системы мониторинга, и давало рекомендации по дальнейшему мониторингу.

Данный объект является высотным зданием (высота объекта +245,95м). В связи с этим на объекте по высоте предусматривается установка датчиков колебаний – акселерометров. Датчики систем мониторинга должны устанавливаться жёстко на контролируемых несущих конструкциях. В случае наличия утепления, звукоизоляции и т.д. перед установкой датчика вся отделка вскрывается, и установка производится непосредственно на железобетонную стену или колонну. В анализе рекомендовано увеличение количества датчиков для получения более полной информации о колебаниях, их амплитудах и собственных значениях.

На объекте установлены датчики угла наклона – инклинометры. Они показывают наклон несущих конструкций и неравномерность осадок фундамента в режиме реального времени. Требования к установке инклинометрических датчиков аналогичны требованиям к установке акселерометров.

В теле несущих конструкций фундамента и железобетонных колонн и перекрытий перед укладкой бетона устанавливаются тензометрические датчики деформаций. Принципиальным моментом для таких датчиков является установка датчика перед укладкой бетона и возведением верхних этажей, поскольку только в этом случае датчик будет давать показания о деформации элемента относительно первоначального, ненагруженного состояния. Распространённой ошибкой является несоблюдение этого требования (установка датчика на готовый и нагруженный элемент конструкции), вследствие чего датчик будет показывать только относительное изменение нагрузки, но не даст информации об абсолютном значении деформации элемента и, как следствие, о его запасе прочности.

Под плитой ростверка устанавливаются датчики давления с целью косвенным образом проконтролировать осадки грунта, о которых может говорить уменьшение давления. Данные датчики требуют установки строго на грунт, под плитой. Не допускается их заливка бетоном, поскольку в этом случае датчик не будет показывать давления плиты на грунт.

На здания высотой более 100м существенное воздействие оказывает ветровая нагрузка. Кроме того, в г. Москва, как и на большей территории Российской Федерации, имеют место значительные перепады температур в течение года. Данные условия вносят существенный вклад в напряжённо-деформированное состояние конструкций, в связи с чем представляется целесообразной установка метеостанции на верхней части здания.

В г. Москва сейсмическая активность низкая. В тех регионах, в которых имеется значительная сейсмическая активность (например, Северный Кавказ), сейсмические колебания могут также оказывать серьёзное влияние на показания системы мониторинга, в связи с чем их необходимо учитывать при интерпретации показаний.

Датчики, установленные на объекте, не выявили отклонений напряжённо-деформированного состояния объекта от нормы.

Также АО «КТБ» проводилось обслуживание системы мониторинга несущих конструкций зданий и сооружений Москомспорта в 2017 году [4]. В рамках данной работы производился анализ показаний системы мониторинга для 112 спортивных школ в г. Москве. Данные здания не являются уникальными, однако по решению владельца – Москомспорта – на них была установлена автоматизированная система мониторинга несущих конструкций с единым диспетчерским пунктом.

В ходе наблюдений за состоянием несущих конструкций были выявлены негативные явления на ряде объектов, а также некоторые недостатки системы, выданы рекомендации по дальнейшим действиям.

При установке датчиков следует исключить их повреждение в ходе эксплуатации здания; например, датчик, размещённый на покрытии спортивного зала, должен быть защищён прочным (желательно металлическим) кожухом во избежание попадания мяча. На рис.3 приведён пример неправильных показаний повреждённого датчиком мяча, вследствие чего была произведена его замена.

Рис.3. Пример неправильных показаний датчика после его повреждения.

Наиболее частыми причинами выхода датчиков из строя были физические воздействия (удары спортивными снарядами, вызывавшие смещения датчиков и/или обрыв кабеля), воздействие влаги (особенно актуально для датчиков, размещаемых над бассейнами, катками, на открытом пространстве). Таким образом, при установке датчиков следует принимать меры по их функционированию в условиях данного объекта. Температурные перепады также способны искажать показания датчиков, расположенных на открытом пространстве, в связи с чем их показания должны дополняться показаниями устанавливаемых рядом с ними датчиков температуры.

Наиболее ярким примером выявления негативных изменений на объекте послужила ситуация, сложившаяся в спортивной школе в г. Зеленоград, где датчиками деформации был зафиксирован рост деформации покрытия, имеющий чёткий сезонный характер (см. рис.4).

Рис. 4. Негативные изменения на объекте.

При посещении объекта и изучении вопроса было выяснено, что деформации покрытия нарастают преимущественно зимой вследствие снеговой нагрузки. В норме покрытие здания должно выдерживать снеговую нагрузку, однако выяснилось, что несколько лет назад в здании был проведён капитальный ремонт, и выполнен он был со значительными нарушениями, вызвавшими нагрузку на несущие конструкции, превышающую проектные значения.

На основе данных наблюдений была дана рекомендация к проведению повторного капитального ремонта с соблюдением всех норм.

Выводы

Автоматизированная программа мониторинга зданий и сооружений позволяет получать подробную информацию об их состоянии в режиме реального времени.

Поскольку оборудование для автоматизированного мониторинга стоит намного дороже ручных деформационных марок, в большинстве случаев расстановка оборудования для мониторинга производится, исходя не только из конструктивных, но и из экономических соображений. Поэтому в первую очередь следует устанавливать оборудование для мониторинга на тех конструкциях, которые подвержены наибольшим нагрузкам и/или являются уникальными.

При проведении автоматизированного мониторинга необходимо учитывать условия эксплуатации датчиков. В случае возможности физического воздействия датчики оборудуются необходимой защитой от повреждений. В случае температурных воздействий следует размещать датчики температуры, показания которых вносятся в расчётную модель при интерпретации показаний датчиков. В случае высокой сейсмической активности в месте расположения объекта следует учитывать в расчётной модели данные о сейсмических колебаниях грунта. Во многих случаях для уточнения причин изменения показаний датчиков рекомендуется установка метеорологической станции.

Математическая модель, составленная заранее, вводится в программное обеспечение системы мониторинга. В рамках этой математической модели система передаёт на пульт диспетчера информацию о том, что показатели находятся в норме, или информацию о превышениях предельных значений показателей. В последнем случае производится обследование конструкций, показывающих неблагоприятные тенденции, и принимается решение о дальнейшей эксплуатации объекта и/или ремонте конструкций при необходимости.

Наибольшее распространение автоматизированные системы мониторинга получают на уникальных объектах (высотные здания выше 100м, современные спортивные стадионы и т.д.). Тем не менее, производится установка таких систем и на объекты, не являющиеся уникальными, но представляющие особый интерес для их владельцев.

Основной целью установки автоматизированной системы мониторинга несущих конструкций являются получение подробной информации о напряжённо-деформированном состоянии несущих конструкций объекта и выявление конструкций с негативной динамикой. Кроме того, для уникальных объектов данные системы мониторинга могут представлять теоретическую ценность для лучшего понимания поведения таких объектов при эксплуатации.

Источник: www.ktbbeton.com

Система мониторинга строительных конструкций. Функциональная схема построения и выбор типов датчиков

В данной статье рассматриваются базовые принципы построения измерительной части системы постоянного мониторинга инженерных конструкций (СМИК) высотных зданий различного назначения, рассмотрены основные типы применяемых датчиков, применяемых в системах в системах мониторинга строительных конструкций высотных зданий.

В соответствии с ГОСТ Р 22.1.13-2013 система мониторинга инженерных (несущих) конструкций, опасных природных процессов и явлений — это подсистема СМИС, осуществляющая в режиме реального времени контроль изменения состояния оснований, строительных конструкций зданий и сооружений; сооружений инженерной защиты, зон схода селей, оползней, лавин в зоне строительства и эксплуатации объекта мониторинга в целях предупреждения чрезвычайных ситуаций.

Типовая система СМИК высотного здания как правило состоит из нескольких измерительных подсистем:

• подсистема измерения механических напряжений и деформаций несущих стен и колонн, ферм и других элементов строительных конструкций, в которых сконцентрированы механические напряжения;
• подсистема измерения кренов и углов наклона основания и ядер жёсткости;
• подсистема измерения собственных частот и декрементов затухания колебаний строительных конструкций

Рассмотрим кратко построение каждой из этих подсистем и типы датчиков, применяемых на практике.

Подсистема измерения деформаций несущих элементов строительных конструкций

Подсистема измерения деформаций состоит из датчиков деформаций, установленных одиночно или попарно и контролирующих деформации растяжения сжатия и/или деформации изгиба.

Выбор места установки датчиков деформации зависит от конструктивных особенностей здания, объемно-пространственной структуры, типа и способа построения несущего каркаса, высотности. К универсальным базовым принципам выбора мест размещения можно отнести следующие:

— датчики деформации сосредотачиваются на одной высотной отметке, в местах наибольших напряжений. Обычно, это нижний этаж и этажи, где толщина несущих конструкций (стен или колонн) уменьшается. Выбор горизонтальных сечений обусловлен тем, что знать распределение напряжений в горизонтальном сечении важнее, чем в вертикальном. Кроме того, картина распределения напряжений по горизонтали (на одном этаже) более качественно фиксирует неравномерности опирания конструкции.

-датчики деформации размещаются в местах наибольшей концентрации механических напряжений, предварительно определенных моделированием, необходимо избегать мест размещения датчиков в узлах строительных конструкций, одновременно испытывающих напряжения в нескольких направлениях.

-при измерении деформации растяжения-сжатия достаточно установить одиночный датчик, при необходимости измерении деформаций напряжения-сжатия при наличии одновременно изгибных деформациях элемента строительных конструкций устанавливается два датчика с двух сторон оси симметрии элемента, вдоль направления деформации растяжения-сжатия и перпендикулярно направлению измеряемой деформации изгиба.

-необходимо избегать мест размещения датчиков, освещаемых прямыми солнечными лучами, т.к. локальный нагрев будет приводить к расширению материала элемента строительных конструкций в месте установки датчика и как следствие, изменению показаний датчика при отсутствии фактических изменений напряженно-деформированного состояния самой строительной конструкции.

На практике в системах мониторинга строительных конструкций применяются датчики деформации на основе пленочных тензорезисторов или струнные датчики деформации.

Датчики деформаций на основе пленочных тензорезисторов состоят двух или четырех тензорезисторов, наклееных на рабочее тело, включенных по полумостовой или мостовой схеме. Мостовая схема тензодатчика образована рабочей парой тензорезисторов и парой компенсационных тензорезисторов, расположенных рядом с рабочим на ненагруженной пластине или наклеенных на рабочее тело, но перпендикулярно направлению силы, вызывающей деформацию.

Благодаря жесткому креплению к поверхности объекта мониторинга, деформация объекта мониторинга приводит к деформации рабочего тела датчика и наклеенных на него пленочных тензорезисторов.

Основным достоинством таких датчиков является относительно невысокая стоимость и неприхотливость. Основным недостатком датчиков данного типа является его высокая конструктивная жесткость. В зависимости от конструктивного исполнения рабочего тела датчика деформации восстанавливающая сила противодействия датчика растяжению или сжатию может находится в диапазоне от нескольких сот до нескольких тысяч ньютон для датчиков, рабочее тело которых конструктивно выполнено в виде пластины. Эта сила деформирует крепление датчика, приводит к проскальзыванию датчика в креплении, что существенно увеличивает погрешность измерений деформаций. Увеличение прочности крепления приводит к увеличению неопределенности измерительной базы датчика и как следствие большой погрешности измерений.

Компания НТП «Горизонт» предлагает датчик деформации на основе пленочных тензорезисторов серии TMG. Датчики деформации серии TMG выпускаются с аналоговым и цифровым выходом RS-485.

Перечисленных недостатков лишены струнные датчики деформации. Восстанавливающая сила струнного датчика деформации как правило не превышает нескольких десятков ньютон. Датчики данного типа могут быть закреплены на поверхности точечной сваркой или приклеены к объекту мониторинга. Струнные датчики имеют малый собственный дрейф нуля и низкую дополнительную температурную погрешность, просты в монтаже и долговечны.

Основным недостатком датчиков данного типа является относительно высокая стоимость датчика.

Принцип действия струнного датчика основан на изменении частоты колебаний струны в зависимости от силы ее натяжения. Колебание струны возбуждается импульсом тока в катушке возбуждения. После возникновения устойчивого колебания, струна сама начинает индуцировать переменный ток в катушке, частота которого измеряется вторичным прибором струнного датчика.

НТП «Горизонт» предлагает струнный датчик деформации серии SVWG-D01 с встроенным электронным блоком и цифровым выходом RS-485. Передача данных по цифровым линиям RS-485 позволяет создавать последовательные измерительные цепи датчиков, подключаемых с помощью разветвителей на расстояния до 800м. Количество подключаемых датчиков ограничено только падением напряжения в цепях питания и составляет 10-20 шт. на одну измерительную линию.

Подсистема измерения кренов, углов наклона элементов строительной конструкции

Подсистема измерения кренов и углов наклона состоит из двухкоординатных инклинометров (датчиков угла наклона), устанавливаемых на фундаментную плиту и этажах по всей высоте здания. В зависимости от высотности здания инклинометры устанавливают через каждые шесть-десять этажей. Количество и места установки датчиков выбираются таким образом, чтобы получить максимально наглядную картину изгибов здания и визуализировать ее с достаточной степенью достоверности. Инклинометры, установленные на фундаментной плите, позволяют контролировать неравномерность осадок при работе конструкции как по второму, так и по первому предельным состояниям.

Вопрос выбора типов инклинометров стоит несколько острее, чем в случае тензодатчиков. В настоящее время на рынке средств измерений угла наклона появляется все больше инклинометров, использующих технологию MEMS. Неоспоримыми преимуществами датчиков с первичными преобразователями на базе MEMS-микросхем является их низкая стоимость, надежность и малые габариты.

При всей привлекательности первичные преобразователи на базе MEMS имеют несколько существенных недостатков – большой диапазон измерений углов наклона в 5-15 градусов приводит к большой погрешности измерения угла наклона, временной и температурный дрейф, который может достигать нескольких процентов от диапазона.

Компании-производители MEMS-микросхем и сборок на их основе постоянно совершенствуют технологию, повышая точность измерений углов наклона, но на данном этапе развития технологии погрешность измерения инклинометров на основе MEMS — преобразователей остается слишком высокой для задач долговременного мониторинга строительных конструкций.

В своих инклинометрах ИН-Д3 НТП «Горизонт» применяет первичные преобразователи маятникового типа собственной разработки. Принцип действия основан на измерении сопротивления электролита, заполняющим межэлектродное пространство между подвижным электродом-маятником и неподвижными электродами. При изменении угла наклона изменяется межэлектродное расстояние, это приводит к изменению сопротивления, которое регистрируется электронным блоком. Применение мостовой схемы измерения сопротивлений в противоположных плечах позволяет минимизировать влияние температуры и снизить временной и температурный дрейф.

Подсистема мониторинга основных форм колебаний строительных конструкций

Принцип контроля изменения напряженно-деформированного состояния строительных конструкций основан на контроле изменения частот и декрементов затухания первых нескольких форм колебаний строительных конструкций. Принцип измерений подробно описан в ГОСТ 34081-2017 «Здания и сооружения. Определение параметров основного тона собственных колебаний».

Расчет основных параметров колебаний осуществляется по нескольким десяткам выборок. Длительность реализации зависит от требований к разрешающей способности системы по частоте. Колебательные ускорения строительных конструкций регистрируются высокочувствительными акселерометрами.

Оцифровка сигнала акселерометров осуществляется с помощью внешних АЦП или встроенными АЦП электронного блока датчика. Оба подхода имеют свои плюсы и минусы. Передача аналогового сигнала на узловое устройство аналого-цифрового преобразования избавляет от проблем синхронизации акселерометров в системе, но требует использования дорогостоящего кабеля.

Единственно возможная топология при подключении аналоговых датчика –это топология типа «звезда», что приводит к существенному увеличению количества кабеля. Длина кабельной линии аналогового сигнала не должна превышать 90-120м, даже при использовании хорошего кабеля. Датчики с цифровым выходом RS-485 избавлены от перечисленных проблем, не требуют дорогостоящих внешних АЦП, просты в подключении, но также имеют свои ограничения в связи с относительно малой пропускной способности цифровых линий на больших расстояниях. Так на скорости 115200бит/с количество акселерометров, одновременно передающих данные с частотой дискретизации 100Гц по линии RS-485, ограничено пятью и десятью при длине на скоростях обмена 230400 бит/с. Использование других цифровых интерфейсов, работающих на длинных линиях по медным проводам типа «витая пара» не дают существенных преимуществ по сравнению с интерфейсом RS-485.

Радикальным решением проблемы передачи данных с акселерометров по цифровым линиям является перенос вычислений спектральной плотности мощности, определение основных параметров колебаний на электронный блок акселерометра. В этом случае объем передаваемой информации по цифровым линиями сокращается в сотни раз и ограничивается лишь передачей медленно меняющихся спектров и параметров основных форм колебаний. При таком объеме передаваемых данных передача возможна на минимальных скоростях на большие расстояния. При этом существенно возрастают требования к производительности микроконтроллера и объем внутренней памяти электронного блока акселерометра.

Для задач спектрального анализа НТП «Горизонт» предлагает двухосевые маятниковые электролитические инклинометры-акселерометры с цифровым выходом АН-Д3, цифровые трехосевые пьезокерамические акселерометры A1738-D01. Оба акселерометра могут поставляться с функционалом расчета основных форм колебаний. Программное обеспечение сервера сбора данных Gorizont Server позволяет производить сбор данных c большого количества акселерометров без потери синхронизации. Расчет параметров основных форм колебаний по ГОСТ34081-2017 осуществляется в программном модуле Gorizont Spectrum Analysis.

Источник: proinstrumentinfo.ru

Методы и средства мониторинга технического состояния строительных конструкций Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ДЕФОРМАЦИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ / ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ МОНИТОРИНГА СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ / ДИНАМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ МОНИТОРИНГА СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ / ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ / АКУСТИЧЕСКИЕ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ / МОЛЕКУЛЯРНО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ / ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ / DEFORMATION OF BUILDING STRUCTURES / GEODETIC METHODS OF MONITORING OF BUILDING STRUCTURES / DYNAMIC METHODS OF MONITORING OF BUILDING STRUCTURES / STRAIN GAUGES / ACOUSTIC PIEZOELECTRIC TRANSDUCERS / MOLECULAR ELECTRONIC TRANSDUCERS / FIBER OPTIC TRANSDUCERS

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Запруднов Вячеслав Ильич, Серегин Николай Григорьевич

Рассмотрены методы и средства мониторинга технического состояния строительных конструкций. Дана классификация методов, проведен их сравнительный анализ. Подробно классифицированы средства мониторинга. Проанализированы их достоинства и недостатки.

Показано, что основными средствами мониторинга технического состояния строительных конструкций являются тензометрические и волоконно-оптические преобразователи . Представлено подробное описание тензометрических преобразователей . Обоснована перспективность применения для решения задач мониторинга строительных конструкций волоконно-оптических преобразователей . Проведен анализ работ по применению волоконно-оптических преобразователей для измерения деформаций строительных конструкций . Рассмотрен метод волоконно-оптической низкокогерентной интерферометрии, проанализированы его достоинства и представлены преимущества для измерения деформаций строительных конструкций . Приведены схема и образец крепежного элемента для измерения деформаций строительных конструкций , а также результаты испытаний этого образца. Сделаны выводы и сформулированы направления дальнейших исследований.

Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Запруднов Вячеслав Ильич, Серегин Николай Григорьевич

Результаты исследования волоконно-оптического преобразователя системы мониторинга строительных конструкций

Измерительные системы диагностики и мониторинга технического состояния уникальных зданий и сооружений

Система сбора данных по параметрам конструкций интеллектуального здания на основе волоконно-оптических датчиков

Исследование напряженно-деформированного состояния конструкции тензометрическим методом при реализации объектов реновации

Methods and means of monitoring building structures technical condition

The methods and means of monitoring the technical condition of building structures are Considered. Classification of methods is given. Their comparative analysis is carried out. A detailed classification of monitoring tools is given. Their advantages and disadvantages are analyzed. It is shown that the main means of monitoring the technical condition of building structures are tensometric and fiber-optic converters.

A detailed description of strain gauges is presented. The prospects of application of fiber-optic converters for monitoring of building structures are substantiated. The analysis of works on the use of fiber-optic converters for measuring deformations of building structures is given. The method of fiber-optic low-coherence interferometry is considered. The advantages of the fiber-optic low-coherence interferometry method are analyzed. Its advantages for measurement of deformations of building structures are shown. The scheme and a sample of a fastening element for measuring deformations of building structures are presented.

The test results of the fastening element sample are presented. Conclusions on the topic of the article are given and directions of further research are formulated.

Текст научной работы на тему «Методы и средства мониторинга технического состояния строительных конструкций»

УДК 681.586.629.78 DOI: 10.18698/2542-1468-2019-5-108-115

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА МОНИТОРИНГА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

В.И. Запруднов1, Н.Г. Серегин2

‘МГТУ им. Н.Э. Баумана (Мытищинский филиал), 141005, Московская обл., г. Мытищи, ул. 1-я Институтская, д. 1 2ФГБОУ ВО «Московский государственный строительный университет» (НИУ МГСУ), 129337, г. Москва, Ярославское ш., д. 26

Рассмотрены методы и средства мониторинга технического состояния строительных конструкций. Дана классификация методов, проведен их сравнительный анализ. Подробно классифицированы средства мониторинга. Проанализированы их достоинства и недостатки.

Показано, что основными средствами мониторинга технического состояния строительных конструкций являются тензометрические и волоконно-оптические преобразователи. Представлено подробное описание тензометрических преобразователей. Обоснована перспективность применения для решения задач мониторинга строительных конструкций волоконно-оптических преобразователей.

Проведен анализ работ по применению волоконно-оптических преобразователей для измерения деформаций строительных конструкций. Рассмотрен метод волоконно-оптической низкокогерентной интерферометрии, проанализированы его достоинства и представлены преимущества для измерения деформаций строительных конструкций. Приведены схема и образец крепежного элемента для измерения деформаций строительных конструкций, а также результаты испытаний этого образца. Сделаны выводы и сформулированы направления дальнейших исследований.

Ключевые слова: деформации строительных конструкций, геодезические методы мониторинга строительных конструкций, динамические методы мониторинга строительных конструкций, тензометрические преобразователи, акустические пьезопреобразователи, молекулярно-электронные преобразователи, волоконно-оптические преобразователи

Ссылка для цитирования: Запруднов В.И., Серегин Н.Г. Методы и средства мониторинга технического состояния строительных конструкций // Лесной вестник / Forestry Bulletin, 2019. Т. 23. № 5. С. 108-115. DOI: 10.18698/2542-1468-2019-5-108-115

Мониторинг технического состояния строительных конструкций — специально организованное, систематическое наблюдение за состоянием строительных конструкций, явлений и процессов, происходящих в них, в целях их оценки, контроля или прогноза [1].

В соответствии с нормативно-технической литературой целью мониторинга технического состояния строительных конструкций является обеспечение надежности системы «основание — сооружение», недопущение негативных изменений окружающей среды, разработка технических решений для предупреждения и устранения отклонений, превышающих предусмотренные в проекте, а также осуществление контроля выполнения принятых решений.

Здания высотой более 75 м относятся к категории высотных и составляют особенность силуэтов современных крупных городов. Обеспечение безопасности при строительстве и эксплуатации высоток требует постоянного мониторинга их технического состояния. Поскольку высотные здания являются сложными инженерными сооружениями, возникает необходимость контроля их технического состояния и бесперебойного функционирования отдельных узлов таких зданий и конструкций в целом, инженерных сетей и коммуникаций, поведения прифундаментных

грунтовых массивов и т. д. Все эти элементы взаимосвязаны и составляют единую систему мониторинга технического состояния здания, комплексно объединяющую набор отдельных технических решений. Важными вопросами создания систем мониторинга технического состояния строительных конструкций являются вопросы выбора методов и средств мониторинга.

Требования проведения инструментального мониторинга технического состояния строительных конструкций содержатся в Московских городских строительных нормах МГСН 4.19-2005 [2], которыми руководствуются не только при возведении высотных зданий и многофункциональных комплексов в Москве, но и в других городах России, а также в ГОСТ Р 53778-2010. Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния [3]. Нормативы Европы [4] предусматривают наблюдение за состоянием строительных конструкций и грунтов фундаментов, но не содержат конкретные указания по методам проведения инструментального мониторинга. Вследствие развития информационно-измерительных систем и средств цифровой обработки сигналов [5-8] в настоящее время имеются большие возможности для мониторинга технического состояния строительных конструкций, широкий выбор методов и средств мониторинга.

Важно для каждого конкретного строительного объекта в пределах заданных технико-экономических показателей подобрать оптимальный вариант методов и средств мониторинга.

Поставлена задача рассмотреть методы и средства мониторинга технического состояния строительных конструкций, дать подробную классификацию методов и средств мониторинга, провести их сравнительный анализ, проанализировав достоинства и недостатки.

Материалы и методы

Существуют четыре основных вида методов мониторинга технического состояния строительных конструкций:

1) геодезические методы;

2) обследования технического состояния конструкций;

3) определение величин нагрузок, напряжений и деформаций в конструкциях с помощью технических средств измерений;

4) динамические методы.

Геодезические методы проводят как с помощью традиционных нивелиров, так и применяя современные цифровые первичные преобразователи (датчики) спутниковые GPS-технологии и лазерное сканирование строительных конструкций. Геодезические методы позволяют определять перемещение строительных конструкций в пространстве, измерять их осадки и крены. Получаемые данные соответствуют состоянию конструкций на момент измерений, т. е. реализуются разовые замеры, но нет постоянной информации о динамике поведения строительной конструкции.

Обследования технического состояния строительных конструкций чаще проводят путем оценки состояния грунтового массива в основании здания или сооружения. Они зависят от уровня решаемых задач по трудоемкости, стоимости, разрешающей способности, информативности и могут осуществляться от измерений в отдельных скважинах до межскважинного состояния, вплоть до получения трехмерного томографического изображения.

В зависимости от выбора средств мониторинга технического состояния строительных конструкций допускается мониторинг дифференциальных послойных или суммарных осадок грунтов в основаниях конструкций, уровней грунтовых вод, давления в породах и т. д.

Кроме исследования скважин методы обследования технического состояния строительных конструкций позволяют получать важную информацию при размещении под фундаментной

плитой сети датчиков давления на грунт, а в сваях датчиков измерения — вертикальных нагрузок. Обследования технического состояния строительных конструкций проводят непрерывно, поэтому есть возможность отслеживать динамику изменения технического состояния конструкций.

Определение величин нагрузок, напряжений и деформаций в конструкциях с помощью технических средств измерений осуществляют набором инструментов с применением вибрационных датчиков напряжений, размещаемых в фундаментной плите, а также в стенах, пилонах колонн зданий. Исследования проводят непрерывно, в автоматическом режиме.

Динамические методы выполняют различными измерительными устройствами — дефор-мографами, наклономерами, сейсмометрами, велосиметрами, акселерометрами и т. д. Схемы динамических наблюдений разнообразны и включают в себя как варианты искусственного возбуждения колебаний зданий вибраторами, так и возбуждение колебаний естественными воздействиями, например ветром. Динамические методы обеспечивают постоянную картину состояния строительной конструкции, наблюдая которую можно получить полный спектр информации об особенностях динамики зданий и сооружений.

Рассмотренные выше три вида методов мониторинга технического состояния строительных конструкций позволяют исследовать в основном непосредственно величины осадок, нагрузок, а регистрация колебаний требует достаточно сложной предварительной подготовки и создания моделей динамики строительных конструкций, поэтому это выполняют динамическими методами. Причем схемы исследований динамическими методами могут быть достаточно простыми [9]. Кроме того, динамические методы позволяют контролировать не только величину ускорений, но и судить о совместной работе здания и грунтов в его основании, а также обнаружить неизвестные ранее явления.

Мониторинг технического состояния строительных конструкций, а именно оценку изменения их несущей способности, можно проводить путем измерения действующих нагрузок на конструкции, относительных деформаций и перемещений конструктивных элементов, соответствующих изменению внутренних усилий и напряжений в их сечениях. Для этого применяют информационно-измерительные системы, оснащенные первичными преобразователями (датчиками), характеризующимися принципом действия, контролируемыми параметрами, диапазоном измерений, точностью измерений и чувствительностью.

Рис. 1. Проволочные тензодатчики Fig. 1. Wire strain gauges

Рис. 2. Тензодатчики из фольги Fig. 2. Foil srtain gauges

Рис. 3. Пленочные тензодатчики Fig. 3. Film strain gauges

В настоящее время нашли применение в информационно-измерительных системах мониторинга технического состояния строительных конструкций следующие первичные преобразователи (датчики):

Тензометрические датчики преобразуют деформации строительных конструкций в электрический сигнал. Это происходит за счет изменения электрического сопротивления датчика в процессе возникновения деформации измеряемого устройства [10]. Тензометрические датчики могут иметь различные выполнения: проволочные тен-зодатчики, тензодатчики из фольги, пленочные тензодатчики.

Проволочные тензодатчики (рис. 1) наклеивают на поверхности конструкций, поскольку они обеспечивают высокую точность измерения нагрузки от сотых долей грамма до тонны. Их называют одноточечными, так как в отличие от тензодатчиков из фольги и пленочных измерение происходит не по площади, а в одной точке. Проволочными тензодатчиками можно контролировать сжатие и растяжение. Сжатие или растяжение конструкции вызывает соответствующее сжатие или растяжение проволоки, что обусловливает изменение ее электрического сопротивления. В пределах упругих деформаций относительное изменение сопротивления проволоки связано с ее относительным удлинением следующим образом:

где /, R — соответственно начальные длина и сопротивление проволоки;

Д/, ^ — соответственно приращения длины и сопротивления проволоки;

К — коэффициент тензочувствительности.

Значение коэффициента тензочувствительно-сти зависит от свойств материала, из которого изготовлены тензодатчики, а также от способа их крепления к конструкции. Коэффициент тен-зочувствительности проволочных тензодатчиков варьирует в диапазоне от 1 до 3,5. Наиболее употребляемым материалом для изготовления проволочных тензодатчиков является константановая проволока диаметром 20.. .30 мкм.

Усовершенствованным вариантом проволочных тензодатчиков являются тензодатчики из фольги и пленочные. Их чувствительные элементы — решетка из полосок фольги и тончайшая металлическая пленка.

Тензодатчики из фольги (рис. 2) также наклеивают на поверхности и изготавливают из фольговой ленты толщиной 12 мкм. Как было указано выше, измерения в них происходят по площади. Эти датчики можно применять при низких температурах.

Пленочные тензодатчики (рис. 3) изготавливают из тензочувствительных пленок, имеющих специальное напыление, повышающее чувствительность датчиков. Пленки изготовлены из германия, висмута, титана. Пленочные тензодатчики, так же, как и тензодатчики из фольги, проводят измерения по площади и удобны для измерения динамических нагрузок.

Пленочные тензодатчики измеряют напряжения и деформации в конструкции высотного комплекса «Континенталь» в Москве [1], (рис. 4, а), струнные тензодатчики —в конструкции 828-метровой башни Бурдж-Халифа в Дубае (ОАЭ) [11, 12], (рис. 4, б).

Рис. 4. Тензодатчики в конструкциях: а — высотный комплекс «Континенталь» в Москве; б—башня Бурдж-Халифа в Дубае (ОАЭ)

Fig. 4. Strain gauges in the structures: а — Continental high-rise complex in Moscow; б — Burj Khalifa Tower in Dubai (UAE)

Струнные тензодатчики применяют для контроля напряженно-деформированного состояния стальных и железобетонных конструкций. Закладные струнные тензодатчики укладывают непосредственно перед заливкой в бетон для измерений деформаций в наиболее нагруженных, по результатам расчетов, конструктивных элементах зданий и сооружений.

Акустические пьезопреобразователи являются чувствительными элементами со спектральным анализом сигналов от волн напряжений в конструкциях, находящихся под напряжением, основаны на измерениях ряда акустических параметров строительных материалов. Установка этих преобразователей возможна как внутри конструкции при строительстве, так и на поверхностях конструкций в период эксплуатации.

Молекулярно-электронные преобразователи — это стационарные датчики пространственно-временного анализа. Они позволяют с высокой точностью фиксировать смещения строительных конструкций, колебания, нормальную и тангенциальную деформации, коррозионные изменения и др.

Волоконно-оптические датчики предназначены для контроля деформаций (перемещений) в элементах строительных конструкций. В основу их действия положена зависимость коэффициента отражения света в чувствительном элементе датчика, жестко связанного с контролируемым строительным конструктивным элементом, от величины деформации этого элемента. Волоконно-оптические датчики, объединенные в единую информационно-измерительную систему, позволяют контролировать не только деформации, но и изменения нагрузок, температуры, влажности, вибраций строительных конструкций и т. д.

Волоконно-оптические датчики в текущем столетии находят широкое применение в различ-

ных областях хозяйственной деятельности, благодаря проведенным в последние годы успешным научным исследованиям [5-8, 13-22].

Результаты и обсуждение

Известен опыт практического применения волоконно-оптических датчиков на основе волоконных брэгговских решеток и распределенные датчики на основе эффекта Рамана [18].

Брэгговские решетки записывают в оптическом волокне ультрафиолетовым лазером. Они представляют собой участки световода с периодическим изменением показателя преломления вдоль оси. При механическом и температурном воздействии изменяются период и показатель преломления брэгговской решетки, вследствие чего происходит смещение длины волны отраженного света.

Измеряя значение этого смещения, можно определить относительную деформацию строительной конструкции и изменение температуры ее элементов. Для разделения одновременного воздействия деформации и температуры применяют две брэгговские решетки, одна из которых изолирована от механических воздействий. По ней фиксируют сдвиги длины волны из-за температурных воздействий. Это позволяет учесть влияние температуры на вторую брэгговскую решетку, а также тепловое расширение строительной конструкции, к которой прикреплен датчик, и измерить деформацию исследуемой конструкции.

Распределенный датчик температуры на основе эффекта Рамана состоит из импульсного лазера и подключенного к источнику оптического волокна, являющегося чувствительным элементом. Смысл рамановского рассеяния состоит в обмене энергией между падающим фотоном и молекулой вещества. Прямым процессом рамановского рассеяния является переход молекулы из основного

Vo — Vvib v0 v0 — Vvib

Частота сигнала (длина волны)

Рис. 5. Спектр рассеянного импульса

Fig. 5. The spectrum of the scattered momentum

Широкополосный ряадРтпитРГ1К Интерферометр оптический источник газветвитель Фабри —Перо

Рис. 6. Схема экспериментальной установки для измерения

базы интерферометра Фабри — Перо Fig. 6. Scheme of an experimental setup for measuring the base of a Fabry — Perot interferometer

Рис. 7. Крепежный элемент строительной конструкции и его схема

Fig. 7. The fastener of the building structure and its scheme

колебательного состояния в возбужденное, вследствие чего рассеянный фотон смещается по частоте в красную область спектра и генерируется стоксова компонента. Однако возможен и обратный процесс, при котором структурная молекула теряет энергию, и перерассеянный фотон с более высокой энергией генерирует антистоксову линию в синей области спектра относительно линии накачки (рис. 5).

Безусловно, заселенность возбужденного уровня непосредственно зависит от температуры вещества, следовательно, интенсивность антистоксовой компоненты проявит температурную зависимость, т. е., регистрируя временную динамику интенсивности антистоксовой компоненты при зондировании импульсным излучением, с помощью такого датчика можно измерять температуру вдоль всего волокна.

Одним из наиболее перспективных и практичных решений измерения деформаций (пере-

мещений) строительных конструкций являются методы низкокогерентной волоконно-оптической интерферометрии, в которых применяют низкокогерентные источники света [13]. Главным их достоинством является высокая точность измерений, которая не зависит от флуктуации оптической мощности в линии, а также значительная дистанционность измерений и возможность создания миниатюрных чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков.

Разработана схема экспериментальной установки, реализующей спектральный метод низкокогерентной волоконно-оптической интерферометрии [13], (рис. 6), в которой в качестве чувствительного элемента волоконно-оптического датчика применен интерферометр Фабри — Перо.

Экспериментальная установка состоит из источника излучения, волоконно-оптической линии с разветвителем и спектрометра. Спектрометр включает в себя отражательную дифракционную решетку, объектив и ПЗС-матрицу (прибор с зарядовой связью).

В качестве примера применения метода низкокогерентной волоконно-оптической интерферометрии для измерений деформаций (перемещений) строительных конструкций рассмотрен крепежный элемент (рис. 7) [22].

На рис. 8 представлен спектр отраженного сигнала от интерферометра Фабри — Перо, являющегося чувствительным элементом волоконно-оптического датчика, который установлен в крепежный элемент строительной конструкции, при отсутствии (рис. 8, а) и при наличии (рис. 8, б) осевой нагрузки на крепежный элемент, вызывающей его осевую деформацию [22]. Точность измерения деформации составляет 0,3 мкм, что является достаточным для решения поставленной задачи.

1. Рассмотреные методы измерения деформаций (перемещений) строительных конструкций позволяют найти наиболее перспективный и практичный из них, а именно метод низкокогерентной волоконно-оптической интерферометрии.

2. Представленная экспериментальная установка для измерения базы интерферометра Фабри — Перо позволяет проводить изменения с погрешностью не более ±50 нм в диапазоне измерений от 50 до 400 мкм.

3. В дальнейшем целесообразно доработать масштаб применения метода низкокогерентной волоконно-оптической интерферометрии и чувствительного элемента волоконно-оптического датчика, что позволит повысить точность измерения деформаций (перемещений) строительных конструкций до ±20 нм.

Амплитуда, отн. ед.

980 Длина волны, нм

Рис. 8. Спектр отраженного сигнала от интерферометра Фабри — Перо: а — при отсутствии нагрузки

на крепежное устройство; б — при растяжении крепежного устройства Fig. 8. The spectrum of the reflected signal from the Fabry — Perot interferometer: а — in the absence of load on the mounting device; б — when stretching the mounting device

4. Проведенные исследования волоконно-оптического датчика, предназначенного для измерения деформаций конструктивных строительных элементов, подтвердили его точность и надежность. Точность измерения деформаций составляет 0,3 мкм.

[1] Леденев В.В., Ярцев В.П. Обследование и мониторинг строительных конструкций зданий и сооружений. Тамбов: ТГТУ, 2017. 252 с.

[2] Временные нормы и правила проектирования многофункциональных высотных зданий и зданий комплексов в городе Москве МГСН 4.19-2005. Москва, 2005. 129 с. URL: http://docs.cntd.ru/document/1200042296

[3] ГОСТ Р 53778-2010. Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния. URL: http://docs.cntd.ru/document/1200078357 (дата обращения 18.12.2018).

[4] Айме К.А. Мониторинг зданий и котлованов. Ч. 2 // Строительные материалы, оборудование, технологии века, 2005. № 11. С. 37-39.

[5] Рубцов И.В., Неугодников А.П., Егоров Ф.А., Поспелов В.И. Организация системы мониторинга фасадных конструкций на базе волоконно-оптических датчиков // Технологии строительства, 2004. № 5 (33). С. 12-13.

[6] Гармаш В.Б., Егоров Ф.А., Коломиец Л.Н., Неугодников А.П., Поспелов В.И. Возможности, задачи и перспективы волоконно-оптических измерительных систем в современном приборостроении // Спецвыпуск «Фотон-экспересс-наука», 2005. № 6. С. 128-140.

[7] Серегин Н.Г., Гиясов Б.И. Измерительные системы диагностики мониторинга технического состояния уникальных зданий и сооружений // Строительство: наука и образование, 2017. Т. 7. Вып. 3 (24). С. 19-35.

[8] Запруднов В.И., Серегин Н.Г., Гречаная Н.Н. Информационно-измерительные системы мониторинга технического состояния строительных конструкций // Лесной вестник / Forestry Bulletin, 2018. Т. 22. № 5. С. 86-93. DOI: 10.18698/2542-1468-2018-5-86-93.

[9] Чернов Ю.Т. Вибрации строительных конструкций. М.: Издательство АСВ, 2006. 288 с.

[10] Парахуда Р.Н., Шевцов В.И. Автоматизация измерений и контроля. СПб.: СЗТУ, 2002. 75 с.

[11] Abdelrazaq A. Design and Construction planning of the BurjKhalifa // Proc of ASCE Structures Congress 2010 UAE, Dubai, Orlando, Fl, May 12-14. DOI: 10.1061/41130(369)270

[12] Brownjohn J.M., Pan T.C., Deng X.Y. Correlating dynamic characteristics from field measurements and numerical analysis of a high rise building // Earthquake Engineering Structural Dynamics, 2000, no. 29 (4), pp. 523-543.

[13] Soldatov V.Yu., Burkov V.D. Volokonno-opticheskikie informatsionno-izmeritel’nye sistemy [Fiber-optical information-measuring systems] Ekologicheskaya ekspertiza [Ecological Expertise], 2018, no. 1, pp. 111-120.

[14] Soldatov V.Yu., Burkov V.D. Informatsionno- izmeritel’nye sistemy volokonno-opticheskogo tipa [Information-measuring systems of fiber-optic type] Ekologicheskie sistemy i pribory [Ecological Systems and Devices], 2017, no. 6, pp. 24-31.

[15] Brostilova T.Yu., Brostilov S.A., Murashkina T.I. Volokonno-opticheskiy datchik deformatsii [Fiber-optic strain sensor] Nadezhnost’ i kachestvo slozhnykh sistem [Reliability and quality of complex systems], 2013, no. 1, pp. 93-98.

[16] Potapov V.T., Zhamaletdinov M.N., Zhamaletdinov N.M., Mamedov A.M., Potapov T.V. Volokonno-opticheskoe ustroystvo dlya izmereniya absolyutnykh rasstoyaniy i peremeshcheniy s nanometricheskim razresheniem [Fiber-optical device for measuring absolute distances and displacements with a nanometric resolution] Pribory i tekhnika eksperimenta [Instruments and Experimental Technique], 2013, no. 5, pp. 103-107.

[17] Seregin N.G., Belyakov V.A., Sorokin S.V., Yakovlev A.V. Primenenie volokonno-opticheskogo datchika dlya kontrolya, poverki i tarirovki datchikov temperatury [Application of a fiber-optic sensor for monitoring, calibration and calibration of temperature sensors] Inzhenernyy vestnik [Inzhenerny Vestnik], 2014, no. 6, pp. 526-533.

[18] Shishkin V. V., Granev I.V., Shelemba I.S. Otechestvennyy opytproizvodstva iprimeneniya volokonno-opticheskikh datchikov [Domestic experience in the production and use of fiber-optic sensors] Prikladnaya fotonika [Applied Photonics], 2016, vol. 3, no. 1, pp. 61-75.

[19] Shashurin V.D., Potapov V.T., Seregin N.G., Sorokin S.V., Vetrova N.A. Tekhnologiya izgotovleniya i rezul’taty ispytaniy chuvstvitel’nykh elementov volokonno-opticheskikh datchikov [Manufacturing technology and test results of sensitive elements of fiber-optic sensors] Mashinostroitel’, 2016, no. 5, pp. 34-41.

[20] Shashurin V.D., Potapov V.T., Seregin N.G., Sorokin S.V., Vetrova N.A., Kolesnikov L.A., Nazarov V.V. Primenenie metoda volokonno-opticheskoy nizkokogerentnoy interferometrii dlya kontrolya deformatsiy krepezhnykh elementov stroitel’nykh konstruktsiy v protsesse ikh ekspluatatsii [Application of the method of fiber-optic low-coherence interferometry to control the deformations of fasteners of building structures during their operation] Mashinostroitel’, 2016, no. 8, pp. 13-19.

[21] Isaev VG., Seregin N.G., Grechanaya N.N. Izmerenie deformatsiy konstruktivnykh elementov tekhnicheskikh sistem letatel’nykh apparatov volokonno-opticheskimi ustroystvami [Measurement of deformations of structural elements of technical systems of aircraft by fiber-optic devices] Informatsionno-tekhnologicheskiy vestnik [Information and Technology Bulletin], 2018, no. 2 (16), pp. 14-24.

[22] Seregin N.G., Giyasov B.I. Rezul’taty issledovaniya volokonno-opticheskogo preobrazovatelya sistemy monitoringa stroitel’nykh konstruktsiy [The results of the study of the fiber-optic converter of the monitoring system of building structures]. Vestnik MGSU, 2018, t. 13, no. 9 (120), pp. 1055-1066.

Источник: cyberleninka.ru