Способ определения технического состояния строительных конструкций и/или их частей и элементов

Изобретение относится к области строительства, в частности к способу определения технического состояния строительных конструкций и/или их частей и элементов. Технический результат заключается в получении величин, отображающих реальное техническое состояние строительных конструкций и/или их частей и их элементов, а также изменение этого состояния во времени в процессе эксплуатации посредством автоматического контроля за строительными конструкциями и/или их частями и их элементами. Способ включает выбор точек измерения, установку вибродатчиков в выбранных точках, регистрацию колебаний и определение частот и амплитуд собственных колебаний объекта. Выбор точек измерения производят в зависимости от объемной конфигурации объекта. Регистрацию колебаний осуществляют по координатам X, Y, Z микродинамического фона естественного и техногенного происхождения объекта, в условиях которого он постоянно находится. Для анализа изменения динамических характеристик объекта предварительно с помощью математического моделирования вычисляют частоты и амплитуды собственных колебаний объекта. Частоты и амплитуды вычисляют в минимально нагруженном состоянии и в максимально нормативно нагруженном состоянии, характеризующем его предельную несущую способность. При вычислении динамических характеристик объекта определяют количество обертонов, измеряемые величины которых наиболее существенно подвержены изменению при увеличении нагрузки на объект. Место установки вибродатчика на объекте выбирают из условия максимального смещения по используемым для анализа тонам собственных колебаний объекта. После этого производят определение этих параметров на реальном объекте. Сравнивая результаты измерений с величинами аналогичных параметров, полученными с помощью математического моделирования, судят о степени приближения несущей способности объекта к его предельной несущей способности. 1 н. и 2 з.п. ф-лы, 11 ил., 4 табл.

 

Изобретение относится к области строительства и касается способа определения технического состояния строительных конструкций и/или их частей и их элементов.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности является способ определения физического состояния зданий и сооружений, заключающийся в измерении колебаний трехкомпонентными вибродатчиками в частотном диапазоне 0,5-100 Гц, обеспечивающими регистрацию величин колебаний по координатам X, Y, Z одновременно. Колебания измеряют под воздействием микросейсмического фона естественного и техногенного происхождения, в условиях которого постоянно находится объект, определяют частоты и формы собственных колебаний объекта в целом, его блоков и отдельных элементов конструкции, спектры величин смещений, скоростей и ускорений точек объекта с координатами X, Y, Z, декременты затухания (поглощения), передаточные функции грунт-фундамент объекта. На основании этих диагностических признаков устанавливают наличие изменений свойств подстилающего грунта и дефектов в конструкции объекта, возникающих в процессе эксплуатации, а также определяют физическое состояние объекта и оценивают безопасность дальнейшей его эксплуатации, возможность ремонта, реконструкции или необходимость сноса здания или сооружения (см. патент РФ №2140625, G01M 7/00, 17.02.1998 г.).

В известном решении для установления наличия изменений свойств подстилающего грунта и дефектов в здании или сооружении, возникающих в процессе эксплуатации, в основу способа положены два физических явления: каждому объекту присущ индивидуальный комплекс параметров динамических характеристик пространственных колебаний и микросейсмический фон естественного и техногенного происхождения вызывает собственные колебания объектов. Однако при этом не учитывается, что здания и сооружения представляют собой сложные динамические системы, индивидуальный комплекс параметров динамических характеристик пространственных колебаний которых зависит от уровня и места приложения динамической нагрузки, вызывающей их колебания, и измерения, полученные при разных уровнях микросейсм (в том числе приложенных в различных местах), не должны давать одинаковые результаты, даже если состояние объекта не изменилось. Кроме того, регистрация колебаний в разных точках здания или сооружения существенно искажается при повторных неточностях размещения вибродатчиков относительно осей здания или сооружения.

Следует отметить также, что в известном способе под физическим состоянием объекта понимается техническое состояние здания или сооружения, в противном случае оно не интересно ни при эксплуатации, ни при строительстве объекта (терминология СП 13-102-2003). Техническое же состояние объекта определяется на основании других способов, не использующих приемы известного способа.

Кроме того, оценка безопасности дальнейшей эксплуатации объекта основана на определении его технического состояния, а оценка возможности ремонта, реконструкции или необходимости сноса объекта определяется на основании его технического состояния и других экономических факторов.

Недостатками этого известного способа являются также невозможность его применения для отдельных строительных конструкций и их элементов, а также отсутствие связи полученных в результате измерений величин с возможными выводами по техническому состоянию зданий и тем более их строительных конструкций или элементов.

Техническим результатом изобретения является получение величин, отображающих реальное техническое состояние строительных конструкций и/или их частей и их элементов, а также изменение этого состояния во времени в процессе эксплуатации посредством автоматического контроля за строительными конструкциями и/или их частями и их элементами.

Достигается это тем, что в способе определения технического состояния строительных конструкций и/или их частей и их элементов, включающем выбор точек измерения в зависимости от объемной конфигурации объекта, установку вибродатчиков в выбранных точках, регистрацию колебаний по координатам X, Y, Z микродинамического фона естественного и техногенного происхождения объекта, в условиях которого он постоянно находится, и определение частот и амплитуд собственных колебаний объекта, для анализа измерения динамических характеристик объекта предварительно с помощью математического моделирования вычисляют частоты и амплитуды собственных колебаний объекта в минимально нагруженном состоянии и в максимально нормативно нагруженном состоянии, характеризующем его предельную несущую способность, при этом при вычислении динамических характеристик объекта определяют количество обертонов, измеряемые величины которых наиболее существенно подвержены изменению при увеличении нагрузки на объект, и выбирают место установки вибродатчика на объекте из условия максимального смещения по используемым для анализа тонам собственных колебаний объекта, после чего производят определение этих параметров на реальном объекте и, сравнивая результаты измерений с величинами аналогичных параметров, полученными с помощью математического моделирования, судят о степени приближения несущей способности объекта к его предельной несущей способности.

Контроль технического состояния объекта может быть осуществлен также по формам тонов собственных колебаний объекта, при этом выбор места установки вибродатчиков определяют не только количеством анализируемых тонов, но и возможностью контроля их формы.

С помощью математического моделирования могут быть вычислены частоты и амплитуды собственных колебаний строительной конструкции или ее частей для случаев максимального нормативного нагружения и либо потери, либо снижение несущей способности составляющих их элементов для обеспечения возможности на основе сравнения измеренных и вычисленных величин установления, для какого из составляющих их элементов снижена или потеряна несущая способность.

Признаки, отличающие предлагаемый способ определения технического состояния строительных конструкций и/или их частей и их элементов от наиболее близкого к нему известного способа по патенту Российской Федерации №2140625, заключаются в том, что для анализа изменения динамических характеристик объекта предварительно с помощью математического моделирования вычисляют частоты и амплитуды собственных колебаний объекта в минимально нагруженном состоянии и в максимально нормативно нагруженном состоянии, характеризующем его предельную несущую способность, при этом при вычислении динамических характеристик объекта определяют количество обертонов, измеряемые величины которых наиболее существенно подвержены изменению при увеличении нагрузки на объект, и выбирают место установки вибродатчика на объекте из условия максимального смещения по используемым для анализа тонам собственных колебаний объекта, после чего производят определение этих параметров на реальном объекте и, сравнивая результаты измерений с величинами аналогичных параметров, полученными с помощью математического моделирования, судят о степени приближения несущей способности объекта к его предельной несущей способности.

Контроль технического состояния объекта может быть осуществлен также по формам тонов собственных колебаний объекта, при этом выбор места установки вибродатчиков определяют не только количеством анализируемых тонов, но и возможностью контроля их формы.

С помощью математического моделирования могут быть вычислены частоты и амплитуды собственных колебаний строительной конструкции или ее частей для случаев максимального нормативного нагружения и либо потери, либо снижение несущей способности составляющих их элементов для обеспечения возможности на основе сравнения измеренных и вычисленных величин установления, для какого из составляющих их элементов снижена или потеряна несущая способность.

На фиг.1 показана расчетная схема фермы для случая минимально нагруженного состояния.

На фиг.2 показана расчетная схема фермы для случая максимально нормативно нагруженного состояния.

На фиг.3 представлена таблица 1 значений частот собственных колебаний фермы пяти форм собственных колебаний для случаев минимально нагруженного и максимально нормативно нагруженного состояний.

На фиг.4 показана форма основного тона собственных колебаний фермы для случаев минимально нагруженного и максимально нормативно нагруженного состояний.

На фиг.5 показана форма первого обертона собственных колебаний фермы для случаев минимально нагруженного и максимально нормативно нагруженного состояний.

На фиг.6 показана форма второго обертона собственных колебаний фермы для случаев минимально нагруженного и максимально нормативно нагруженного состояний.

На фиг.7 показана форма третьего обертона собственных колебаний фермы для случаев минимально нагруженного и максимально нормативно нагруженного состояний.

На фиг.8 показана форма четвертого обертона собственных колебаний фермы для случаев минимально нагруженного и максимально нормативно нагруженного состояний.

На фиг.9 представлена таблица 2 значений частот собственных колебаний фермы с удаленным средним раскосом пяти форм собственных колебаний для максимально нормативно нагруженного состояния.

На фиг.10 представлена таблица 3 значений частот собственных колебаний фермы с удаленным крайним раскосом пяти форм собственных колебаний для максимально нормативно нагруженного состояния.

На фиг.11 представлена таблица 4 значений частот собственных колебаний фермы с удаленным наиболее напряженным раскосом пяти форм собственных колебаний для максимально нормативно нагруженного состояния.

Способ осуществляют следующим образом.

Для строительной конструкции или ее элемента, например фермы, на которую опирается покрытие сооружения, с помощью математического моделирования вычисляют частоты и амплитуды нескольких тонов ее собственных колебании для случая отсутствия дополнительных нагрузок, например летний период с отсутствием дождя и сильного ветра, а также для случая максимального нормативного нагружения, например зимний период с максимальной снеговой и ветровой нагрузкой. После этого выбирают необходимое для анализа количество обертонов собственных колебаний конструкции, изменения частот и амплитуд, для которых имели наибольшие отклонения для рассмотренных случаев. Затем, если контролируются только частоты этих тонов, выбирают место на объекте, в котором будет установлен вибродатчик и для которого все выбранные тона имеют достаточные для регистрации амплитуды. Если же контролируются и формы собственных колебаний конструкции, то выбираются места установки вибродатчиков так, чтобы можно было бы контролировать не только частоту тона, но и его форму.

После проведения измерений колебаний по координатам X, Y, Z микродинамического фона естественного и техногенного происхождения на конструкции или ее элементе определяют частоты и амплитуды, а при необходимости и формы для выбранных тонов и сравнивают их с аналогичными величинами, полученными ранее с помощью математического моделирования. Такое сравнение позволяет судить о степени приближения несущей способности конструкции или ее элемента к их предельной несущей способности.

Предварительно с помощью математического моделирования вычислялись также частоты и амплитуды собственных колебаний строительной конструкции или ее частей для случаев максимального нормативного нагружения и либо потери, либо снижение несущей способности различных составляющих их элементов, после чего на основе сравнения измеренных и вычисленных величин устанавливают, для какого из составляющих элементов строительной конструкции снижена или потеряна несущая способность.

Пример 1.

Предлагаемый способ определения технического состояния строительных конструкций и/или их частей и их элементов был апробирован на деревометаллических фермах покрытия Крытого конькобежного центра в Крылатском (г.Москва). Рассмотрим предлагаемый способ на примере одной фермы.

Ферма состоит из следующих элементов:

- верхний пояс представляет собой деревянную балку сечением 1000×280 мм;

- нижний пояс (НП) представляет собой стальную трубу ⊘ 203×20 мм;

- раскосы (Р) представляют собой стальную трубу ⊘ 168×8 мм.

Предварительно с помощью математического моделирования были вычислены частоты пяти форм собственных колебаний фермы для случаев минимально нагруженного состояния и максимально нормативно нагруженного состояния, характеризующего ее предельную несущую способность.

На фиг.1 показана расчетная схема фермы для случая минимально нагруженного состояния (с нормативной постоянной нагрузкой от покрытия), на фиг.2 - для случая максимально нормативно нагруженного состояния (с учетом снеговой и ветровой нагрузки в соответствии со СНиП 2.01.07-85). Моделирование выполнено с использованием программного продукта Лира 9.2.

На фиг.3 представлена таблица 1 вычисленных частот собственных колебаний фермы по компоненте Z для случаев минимально нагруженного и максимально нормативно нагруженного состояний. Аналогично были вычислены частоты собственных колебаний фермы по компонентам Х и Y. Из приведенной таблицы 1 видно, что в результате нагружения частота основного тона, первого и второго обертонов собственных колебаний фермы приблизительно изменилась на 34%, третьего обертона на 32%, четвертого обертона на 21%.

Выбор места установки вибродатчика на ферму производился из условия максимального произведения смещений по используемым для анализа тонам собственных колебаний фермы. Перемножая значения перемещений разных тонов колебаний фермы в заданных узловых точках верхнего пояса, находим, какой из них соответствует максимальная величина произведения. В этой точке наилучшим образом регистрируются все пять тонов, а это означает, что этой точке соответствует максимальное соотношение сигнал-шум, что позволяет наиболее надежно контролировать изменение частот собственных колебаний фермы, а значит и устанавливать вибродатчик необходимо в районе этого узла. В нашем примере максимальное соотношение было получено в узловой точке, соединяющей концы раскосов №14 и 15.

Пример 2.

Для случаев минимально нагруженного и максимально нагруженного состояний фермы были получены пять форм собственных колебаний фермы по компоненте Z, показанных на фиг.4-8. Из представленных фигур видно насколько изменились формы колебаний рассматриваемой фермы в зависимости от нагружения. Максимальные изменения формы колебаний составляют приблизительно для основного тона собственных колебаний 17%, первого обертона 11%, второго обертона 16%, для третьего и четвертого обертонов, кроме смещений по компоненте Z, происходит сильное смещение узлов по компоненте Х (компонента Х принята направленной параллельно продольной оси фермы). Выбор места установки вибродатчика для контроля формы колебания необходимо производить равномерно по всей длине фермы и контролировать изменения формы колебаний в каждом узле, где установлен вибродатчик.

Пример 3.

Для случая максимально нормативно нагруженного состояния был осуществлен с помощью математического моделирования расчет собственных частот фермы для трех случаев:

1) с удаленным средним раскосом (раскос Р9);

2) с удаленным крайним раскосом (раскос Р16);

3) с удаленным наиболее напряженным раскосом (раскос Р4).

На фиг.9 представлена таблица 2 вычисленных значений частот собственных колебаний одной фермы с удаленным средним раскосом по компоненте Z, на фиг.10 представлена таблица 3 с удаленным крайним раскосом, на фиг.11 представлена таблица 4 с удаленным наиболее напряженным раскосом. Из приведенных фигур видно, что для первого варианта основной тон собственных колебаний приблизительно изменился на 1%, первый обертон на 46%, второй обертон на 7%, третий обертон на 23%, четвертый обертон на 4%. Для второго варианта основной тон и первый обертон собственных колебаний не изменились, второй обертон приблизительно изменился на 5%, третий и четвертый обертоны на 12%. Для третьего варианта основной тон собственных колебаний изменился на 14%, первый обертон на 4%, второй обертон на 32%, третий обертон на 21%, четвертый обертон на 11%.

Натурные измерения проводились на фермах покрытия с регистрацией динамических параметров в одной точке на каждой ферме. Компонента Х принята направленной параллельно продольной оси фермы, Y компонента - перпендикулярно X, компонента Z - вертикально снизу вверх. Направления координатных осей при натурных измерениях совпадают с направлениями координатных осей при моделировании.

Регистрация сейсмических сигналов велась в диапазоне частот 1-50 Гц трехкомпонентными цифровыми вибродатчиками ПРДП-СМ-1 с частотой дискретизации сигнала 200 Гц на канал и диапазоном измеряемых смещений 1·10^-6-2,5·10^-2 м.

Для регистрации динамических параметров ферм не осуществлялось дополнительных динамических воздействий, измерения производились на основе присутствующей фоновой микродинамики города, в том числе и ветровых воздействий. В процессе регистрации были измерены значения частот первых пяти тонов собственных колебаний фермы.

Таким образом, полученные с помощью математического моделирования значения частот собственных колебаний фермы и измеренные значения частот собственных колебаний фермы позволяют надежно оценить техническое состояние строительных конструкций и/или их частей и их элементов и принять, при необходимости, меры для их реконструкции.

1. Способ определения технического состояния строительных конструкций и/или их частей и их элементов, включающий выбор точек измерения в зависимости от объемной конфигурации объекта, установку вибродатчиков в выбранных точках, регистрацию колебаний по координатам X, Y, Z микродинамического фона естественного и техногенного происхождения объекта, в условиях которого он постоянно находится, и определение частот и амплитуд собственных колебаний объекта, отличающийся тем, что для анализа изменения динамических характеристик объекта предварительно с помощью математического моделирования вычисляют частоты и амплитуды собственных колебаний объекта в минимально нагруженном состоянии и в максимально нормативно нагруженном состоянии, характеризующем его предельную несущую способность, при этом при вычислении динамических характеристик объекта определяют количество обертонов, измеряемые величины которых наиболее существенно подвержены изменению при увеличении нагрузки на объект, и выбирают место установки вибродатчика на объекте из условия максимального смещения по используемым для анализа тонам собственных колебаний объекта, после чего производят определение этих параметров на реальном объекте и, сравнивая результаты измерений с величинами аналогичных параметров, полученными с помощью математического моделирования, судят о степени приближения несущей способности объекта к его предельной несущей способности.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что контроль технического состояния объекта осуществляют также по формам тонов собственных колебаний объекта, при этом выбор места установки вибродатчиков определяют не только количеством анализируемых тонов, но и возможностью контроля их формы.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что с помощью математического моделирования вычисляют частоты и амплитуды собственных колебаний строительной конструкции или ее частей для случаев максимального нормативного нагружения и либо потери, либо снижение несущей способности составляющих их элементов для обеспечения возможности на основе сравнения измеренных и вычисленных величин установления, для какого из составляющих их элементов снижена или потеряна несущая способность.