Способ планово-предупредительного контроля физического состояния зданий и сооружений

 

Изобретение относится к области эксплуатации зданий и сооружений. Технический результат - получение инструментальных данных для квалифицированной оценки изменения физического состояния здания или сооружения в процессе эксплуатации. Способ контроля включает определение динамических характеристик объекта по измерениям под воздействием вибрации его колебаниям, измерение пространственных микроколебаний объекта под воздействием микросейсмического фона естественного и техногенного происхождения, в условиях которого находится обследуемый объект, или под воздействием управляемого источника вибраций. На основании первичного детального инженерно-сейсмического обследования здания или сооружения определяют исходные параметры динамических характеристик, отображающие физическое состояние как объекта в целом, так и отдельных его блоков, узлов и элементов. Посредством последующих подобных периодических обследований определяют стабильность или скорость и направление изменения во времени параметров динамических характеристик, оценивают влияние выявленных изменений и аномалий динамических характеристик на физическое состояние объекта. 4 ил.

Изобретение относится к области эксплуатации зданий и сооружений и может быть использовано при осуществлении планово-предупредительного контроля физического состояния зданий и сооружений в процессе эксплуатации путем проведения инструментального неразрушающего инженерно-сейсмологического обследования посредством измерений пространственных микроколебаний объекта под воздействием микросейсмического фона естественного и техногенного происхождения, в условиях которого постоянно находится обследуемый объект, или под воздействием управляемого источника вибраций, что позволяет получить инструментальные данные для квалифицированной оценки изменения физического состояния здания или сооружения и техническое обоснование для своевременного ремонта, реконструкции или его сноса.

В статье [1] отмечено, что в процессе эксплуатации по мере снижения прочностных характеристик строительных материалов и конструкций объекта обычно понижаются частоты собственных форм колебаний объекта.

Так, при обследовании Чарвакской грунтовой плотины в Узбекистане установлено, что частота первой собственной формы колебаний плотины в течение девяти лет эксплуатации понизилась для гребня на 11%, а для бермы на 9%.

Аналогичные изменения частот собственных форм колебаний отмечают и для зданий. Например, в результате воздействия землетрясения в Сан-Фернандо Велли в 1971 году снижение пространственной жесткости здания "Юнион Бэнк" (42 этажа) отобразилось соответствующим понижением частоты собственных колебаний здания с 1.45 Гц до 1.28 Гц (на 12%) [1].

Таким образом, частота собственных форм колебаний здания или сооружения является одним из параметров динамических характеристик, изменение которого четко коррелирует с изменением его физического состояния.

Наиболее близким аналогом заявляемому способу является способ натурных динамических испытаний зданий и сооружений, посредством которых: - определяют основные динамические характеристики "колебаний вновь возведенных сооружений и сопоставляют их с нормируемыми для выявления возможности сдачи их в эксплуатацию"; - устанавливают причины "недопустимых вибраций конструкций для их снижения ниже допустимого нормами уровня"; - устанавливают фактические параметры и формы "колебаний сооружений с целью совершенствования методов их динамического расчета, конструирования" [2].

При этом основными динамическими характеристиками сооружений указаны "частоты и амплитуды деформаций, перемещений, скорости и ускорений в различных точках сооружения в одном, двух или трех направлениях" [2].

Однако в способе [2] отсутствуют предложения по системе осуществления на базе параметров динамических характеристик планово-предупредительного контроля физического состояния зданий и сооружений в процессе эксплуатации.

Техническим результатом изобретения является способ планово-предупредительного контроля физического состояния зданий и сооружений в процессе эксплуатации путем проведения периодических инженерно-сейсмологических обследований микроколебаний объекта под воздействием микросейсмического фона естественного и техногенного происхождения, в условиях которого постоянно находится обследуемый объект, или под воздействием управляемого источника вибраций, посредством группы периодически перемещаемых по схеме наблюдений трехкомпонентных вибродатчиков и одновременно идентичным трехкомпонентным вибродатчиком в опорной точке, расположенной внутри обследуемого объекта или вблизи него, согласно изобретению на основании первичного детального инженерно-сейсмологического обследования здания или сооружения определяют исходные параметры динамических характеристик, отображающих физическое состояние как объекта в целом, так и отдельных его блоков, узлов и элементов, и посредством последующих подобных периодических обследований определяют стабильность или скорость и направление изменения во времени параметров динамических характеристик объекта, выявляют аномалии в параметрах динамических характеристик, оценивают влияние выявленных изменений и аномалий параметров динамических характеристик на физическое состояние объекта и получают инструментальные данные для квалифицированной оценки изменения физического состояния здания или сооружения в целом и техническое обоснование для своевременного ремонта, реконструкции или сноса объекта.

Суть способа заключается в следующем.

Каждому зданию или сооружению присущ индивидуальный комплекс параметров динамических характеристик микроколебаний, определяемый свойствами подстилающего грунта, фундамента и конструктивными особенностями собственно здания или сооружения.

Под воздействием микросейсмического фона естественного и техногенного происхождения или управляемого источника вибраций здание или сооружение совершает вынужденные пространственные микроколебания на частотах собственных форм колебаний.

Посредством первичного детального инженерно-сейсмологического обследования объекта под воздействием микросейсмического фона, в условиях которого он находится, определяют частоты и формы собственных колебаний здания или сооружения, декременты затухания в точках измерений, передаточные характеристики грунт - фундамент объекта, фундамент - этажи (элементы) объекта.

Для оценки состояния основания, фундамента и конструкции собственно здания или сооружения путем определения скоростей упругих волн и на их базе динамических модулей упругости и сдвига грунта или пород основания, строительных материалов фундамента и здания или сооружения используют управляемый сигнал от внешнего источника вибраций.

В результате получают исходные динамические характеристики: - частоты и формы собственных колебаний; - логарифмические декременты затухания; - передаточные характеристики грунт - фундамент и фундамент - элементы объекта; - динамические модули упругости и сдвига пород и грунта основания объекта, строительных материалов фундамента и конструкций объекта, которые отображают реальное физическое состояние объекта при проведении первичного обследования.

В процессе эксплуатации зданий и сооружений в результате воздействия вибраций техногенного происхождения или землетрясений, подтопления оснований и фильтрации воды через фундаменты зданий или сооружений, старения строительных материалов и конструкций изменяются свойства грунта и пород оснований и прочностные свойства материалов фундаментов и собственно зданий или сооружений.

Эти изменения вызывают соответствующие изменения параметров динамических характеристик микроколебаний зданий и сооружений.

Изменение параметров динамических характеристик объекта определяют посредством последующих плановых периодических инженерно-сейсмологических обследований.

Способ осуществляют следующим образом.

Посредством первичного детального инженерно-сейсмологического обследования пространственных микроколебаний здания или сооружения под воздействием микросейсмического фона естественного и техногенного происхождения, в условиях которого оно постоянно находится, или специального управляемого источника вибраций определяют исходные параметры динамических характеристик микроколебаний объекта, которые отображают его реальное физическое состояние при обследовании: - частоты и формы собственных колебаний объекта по трем компонентам; - логарифмический декремент затухания;
- передаточные характеристики грунт - фундамент, фундамент - элементы объекта;
- динамические модули упругости и сдвига для пород и грунта основания объекта, материалов фундамента и конструкций объекта (при воздействии управляемого источника вибраций).

При этом указывают особые условия, в которых осуществляют обследование, например уровень верхнего бьефа при обследовании плотины гидротехнического сооружения, глубину промерзания грунта при обследовании зданий и сооружений в зимних условиях и т.п.

Далее, с определенной периодичностью, которая зависит от физического состояния объекта, срока и условий эксплуатации, проводят ряд детальных инженерно-сейсмологических обследований объекта и определяют стабильность или скорость и направление изменения параметров динамических характеристик основания и собственно объекта.

Выделяют аномальные области распределения параметров динамических характеристик на объекте, определяют характерные точки, наиболее представительно отображающие физическое состояние объекта и где изменения этого состояния прежде всего могут быть зарегистрированы.

Дальнейшие плановые инженерно-сейсмологические обследования проводят в установленных характерных точках, по которым отслеживают параметры и оценивают изменение динамических характеристик объекта во времени. В результате получают инструментальные данные об изменении физического состояния объекта во времени, тенденции и скорости изменения физического состояния объекта и техническое обоснование для своевременного принятия квалифицированных мер по ремонту, реконструкции или сносу объекта.

В то же время нельзя исключать, что результаты первичного инженерно-сейсмологического обследования или одного-двух последующих послужат основанием для запрета дальнейшей эксплуатации обследованных зданий и сооружений.

Нормативные и фактические сроки эксплуатации зданий и сооружений исчисляются десятками лет. Естественно, изменения параметров их динамических характеристик, отображающих соответствующие изменения физического состояния, происходит достаточно медленно, особенно на начальном этапе эксплуатации объекта.

Поэтому применение способа планово-предупредительного контроля физического состояния зданий и сооружений иллюстрируют данные об изменениях во времени отдельных параметров динамических характеристик.

Перечень графических иллюстраций применения предлагаемого способа:
на фиг. 1 - карты амплитуд смещений собственных форм поперечных микроколебаний лабораторно-технологического корпуса (г. Новосибирск);
на фиг. 2 - карты амплитуд скоростей смещений собственных форм поперечных микроколебаний стен здания жилого дома (г. Улан-Удэ):
а) стена уличного фасада (ось "A-A"),
б) стена дворового фасада (ось "B-B");
на фиг. 3 - карты изменения отдельных параметров динамических характеристик микроколебаний стен здания жилого дома (г. Улан-Удэ):
а) логарифмический декремент затухания,
б) частота первой собственной формы поперечных колебаний;
на фиг. 4 - графики изменения частот собственных форм колебаний плотины Саяно-Шушенской ГЭС при уровне верхнего бьефа с абсолютной отметкой 539 и 500 м.

Пример 1. В 1993-1997 годах проведен ряд инженерно-сейсмологических обследований лабораторно-технологического корпуса (г. Новосибирск) с целью оценки качества проектных решений и строительства и получения исходных данных для последующего наблюдения физического состояния здания.

ЛТК - пятиэтажное здание, опирающееся на подвально-цокольный этаж и завершенное техническим этажом. Конструктивно здание и пристройки выполнены с железобетонным каркасом и кирпичными стенами с примыканием ограждающих стен пристроек к ЛТК путем заделки в штрабы. Измерения микроколебаний здания ЛТК с пристройками проведены трехкомпонентными вибродатчиками под воздействием микросейсмического фона естественного и техногенного происхождения, в условиях которого находится здание.

Направление X-компоненты принято по ширине здания, Y-компоненты - по продольной оси здания, Z-компоненты - вверх.

На фиг. 1 представлены карты амплитуд смещений четырех собственных форм поперечных микроколебаний ЛТК с пристройками.

Асимметрия конфигурации карт амплитуд смещений первой и второй собственных форм микроколебаний комплекса зданий связана с некоторым различием собственных частот здания собственно ЛТК и каждой из пристроек, что подтверждает более симметричные конфигурации третьей и четвертой собственных форм.

Выявленные области повышенных амплитуд смещений на первых двух картах коррелируют с местами примыкания ограждающих стен пристроек к зданию собственно ЛТК.

Области максимальных амплитуд микроколебаний на картах собственных форм являются следствием функционирования установок общеобменной вентиляции и местных технологических отсосов.

Установлено, что логарифмический декремент затухания поперечных колебаний ЛТК с пристройками изменяется в пределах от 0.135 до 0.220, при этом минимальное его значение относится к восточной пристройке, имеющей наибольшую частоту собственных поперечных колебаний.

В результате обследования качество монтажа несущих конструкций и сооружения ограждающих стен оценено как удовлетворительное, однако узлы сопряжения зданий, выполненные заделкой в штрабу, потребуют в процессе эксплуатации особого контроля, поскольку деформации сдвига стен при колебаниях разнятся в 30 - 50 раз.

Пример 2. В декабре 1997 года в г. Улан-Удэ проведено инженерно-сейсмологическое обследование здания жилого дома серии 1-306, проект которого выполнен в соответствии с СН-8-57 для района с сейсмичностью 7 баллов.

Четырехэтажное кирпичное здание длиной 54 м и шириной 13.5 м, построенное в 1960 году, ко времени обследования находилось в аварийном состоянии из-за деформации фундамента, наибольшая осадка которого достигла 120 мм по стене дворового фасада (ось "B-B") с соответствующим отклонением последней от вертикали. В кирпичной кладке образовались многочисленные трещины с раскрытием до 10-30 мм.

К началу работ по обследованию здания была выполнена частичная замена фундамента в осях "7-10" и усилена снаружи и изнутри часть стены дворового фасада.

Целью обследования являлось определение параметров динамических характеристик микроколебаний здания под воздействием микросейсмического фона естественного и техногенного происхождения, в условиях которого находится здание, оценка его физического состояния, остаточной сейсмостойкости и возможности осуществления восстановительного ремонта.

Учитывая физическое состояние здания, измерения микроколебаний проведены трехкомпонентными вибродатчиками с шагом 3 м по четырем этажам по продольным фасадным ограждающим стенам.

На фиг. 2 представлены карты амплитуд скоростей смещений собственных форм поперечных микроколебаний стен здания.

Установлено, что значительное искажение конфигурации карт амплитуд первой собственной формы микроколебаний стен уличного (ось "A-A") и дворового (ось "B-B") фасадов связано с существенными нарушениями их целостности, а некоторые отличия в конфигурациях и величинах амплитуд - несколько различной степенью этих нарушений каждой из стен.

Конфигурации карт амплитуд смещений второй собственной формы микроколебаний фасадных стен искажены в меньшей мере, поскольку эта собственная форма колебаний менее чувствительна к имеющимся нарушениям целостности стен.

На фиг. 3 представлены карты изменения отдельных параметров динамических характеристик микроколебаний стен здания:
а) логарифмический декремент затухания;
б) частота первой собственной формы поперечных колебаний.

Диапазоны значений логарифмического декремента затухания и изменения частоты первой собственной формы колебаний стен здания, а также конфигурации картограмм свидетельствуют о существенной неравномерности жесткости стен, связанной с различной степенью нарушения их целостности.

В результате обследования оценена остаточная сейсмостойкость здания жилого дома в 4 балла и установлена необходимость восстановительного ремонта всего фундамента здания с последующим укреплением несущих стен.

Следует заметить, что сопоставление карт фиг. 1 с картами фиг. 2 и анализ карт фиг. 3 убедительно демонстрирует характер и степень изменения во времени в процессе эксплуатации картограмм параметров динамических характеристик микроколебаний объекта, отображающих соответствующие изменения его физического состояния.

Пример 3. В 1997-98 гг. авторами представляемого изобретения проведены инструментальные инженерно-сейсмологические обследования арочно-гравитационной плотины Саяно-Шушенской ГЭС при абсолютных отметках уровня верхнего бьефа 539 и 500 м.

Уровень верхнего бьефа определяет присоединенную массу воды и статическое напряженно-деформированное состояние плотины, изменение которых приводит к соответствующим изменениям параметров динамических характеристик плотины.

На фиг. 4 представлены графики изменения частот собственных форм радиальных колебаний плотины Саяно-Шушенской ГЭС при уровнях верхнего бьефа 539 и 500 м, из которых следует, что изменение частоты первой собственной формы произошло с 1.129 Гц до 1.236 Гц или до 9.5% от первоначального значения.

Частоты собственных форм радиальных колебаний плотины определены путем осреднения спектров по 230 регистрационным записям в опорной точке, расположенной в теле плотины на абсолютной отметке 521 м при обследовании плотины в течение двенадцати и десяти дней в первом и втором случае соответственно.

Ошибка при определении осредненной частоты колебаний плотины для первых пяти собственных форм составляет не более ±0.004 Гц или ≈0.340% от номинального значения частоты собственных форм колебаний, что позволяет использовать этот параметр динамических характеристик в качестве одного из критериев оценки изменения физического состояния сооружения.

Кроме того, чувствительность частоты собственных форм колебаний плотины как параметра динамической характеристики при полученной точности определения значения частоты составляет порядка двух метров снижения уровня верхнего бьефа от абсолютной отметки 539 м до 500 м, что следует признать высокой для сооружения такого масштаба.

В результате обследований определен комплекс параметров динамических характеристик микроколебаний плотины, установлены взаимосвязь значений этих параметров с уровнем верхнего бьефа и удовлетворительное физическое состояние плотины.

Литература
1. Плотникова Л.М., Карнаухова О.В.. Геофизическая интерпретация переходных характеристик грунтовых плотин по данным натурных наблюдений. Сейсмологические исследования, N 11, 1989.

2. Тетиор А. Н., Померанец В.Н. Обследование и испытание сооружений. - Киев, Выща школа, 1988, с. 132-143.

Формула изобретения

Способ планово-предупредительного контроля физического состояния зданий и сооружений, включающий определение динамических характеристик объекта по измерениям под воздействием вибрации его колебаниям, отличающийся тем, что физическое состояние объекта определяют путем измерения микроколебаний объекта под воздействием микросейсмического фона естественного и техногенного происхождений, в условиях которого находится обследуемый объект, или под воздействием управляемого источника вибраций посредством группы периодически последовательно перемещаемых по схеме наблюдений трехкомпонентных вибродатчиков и одновременно идентичным трехкомпонентным вибродатчиком в фиксированной опорной точке, расположенной на обследуемом объекте или вблизи него, при этом на основании первичного детального инструментального неразрушающего инженерно-сейсмологического обследования здания или сооружения определяют исходные параметры динамических характеристик, отображающие исходное физическое состояние объекта в целом и отдельных его блоков, узлов и элементов, посредством последующих плановых периодических подобных обследований определяют стабильность или скорость и направление изменения во времени параметров динамических характеристик объекта, выявляют аномалии в параметрах динамических характеристик, оценивают влияние выявленных изменений и аномалий параметров динамических характеристик на физическое состояние объекта и получают инструментальные данные для квалифицированной оценки физического состояния здания или сооружения и техническое обоснование для своевременного ремонта, реконструкции или сноса объекта.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5