Мониторинг высотных зданий

1. Мониторинг напряжённо-деформированного состояния несущих конструкций высотных зданий

Высотные здания (более 75 м) становятся особенностью современного силуэта крупного города. Обеспечение безопасности при их строительстве и эксплуатации требует постоянного контроля состояния (мониторинга) объекта. Вслед за промышленными и специальными сооружениями, такие работы в настоящее время предпринимаются для зданий гражданского назначения. Учитывая, что высотное здание является очень сложным инженерным сооружением, необходимо контролировать техническое состояние и функционирование разнообразных компонентов — инженерных сетей, конструкций в целом и отдельных узлов, поведения грунтового массива и пр. Все эти элементы взаимосвязаны и составляют единую систему мониторинга здания, объединяющую набор отдельных технических решений. Важными вопросами создания системы являются проблемы подбора оборудования и методик, их объединения для мониторинга состояний конструкций надземной и подземной частей высотного здания и грунтов основания.

Существенно, что требования проведения инструментального мониторинга содержатся в Московских Городских Строительных Нормах (МГСН-4.19-2005), которыми руководствуются не только при возведении высотных зданий и многофункциональных комплексов в Москве, но и в других городах России (например, в г. Казани). Нормативы США и Европы предусматривают наблюдение за состоянием конструкций и грунтов основания, но не содержат конкретных указания по методам проведения инструментального мониторинга. Благодаря развитию методик и средств измерений, цифровой обработки сигналов, в настоящее время для мониторинга существует широкий набор возможностей выбора инструментов и методик. Тут важно для конкретного объекта и заданных технико-экономических показателей подобрать оптимальный вариант схемы мониторинга, наиболее полно контролирующих его состояние.

В связи с этим важнейшей проблемой безопасной эксплуатации высотных зданий является контроль напряжённо-деформированного состояния их несушцх конструкций. В эксплуатируемом многофункциональном высотном здании, доступ к большей части несущих конструкций существенно ограничен, поэтому возникают определённые трудности контроля состояния этих конструкций с помощью традиционных методов визуального и инструментального обследования. Кроме того в отличие от зданий меньшей этажности, в которых деформирование несущих конструкций связано в основном с неравномерностью просадок различных частей здания, в высотных — существенное влияние на напряжённодеформированное состояние несущих конструкций оказывают наклоны и ветровые нагрузки, что создаёт большую рассеянность мест накопления деформационных повреждений в этих конструкциях.

Современные методы определения категории деформационного (технического) состояния конструкций зданий, основанные на традиционном их обследовании и успешно используемые для обычных зданий и сооружений, экономически малопригодны для высотных зданий в силу их чрезмерной трудоёмкости и высокой стоимости выполнения большого объёма обследований.

В связи с этим для высотных зданий возникает необходимость выявления изменений напряжённо-деформированного состояния конструкций и локализации мест такого изменения с использованием других методов, позволяющих автоматизировать процесс измерений. Для выявления изменений напряжённо-деформированного состояния конструкций уже достаточно давно и особенно в последние 10 — 15 лет используются динамические методы зондирования зданий и сооружений, основанные на измерении периодов и логарифмических декрементов собственных колебаний зданий и сооружений.

Следует отметить, что эти методы, эффективные для обычных зданий, мало пригодны для высотных. Дело в том, что с увеличением количества этажей, т.е. высоты здания, вклад изменения напряжённо-деформированного состояния, какой либо его части в величины периодов и логарифмических декрементов собственных колебаний становится всё меньше и меньше. Поэтому требуются более точные измерения периодов собственных колебаний здания, точность которых связана с достаточно большим количеством ограничивающих факторов: уровнем динамического воздействия, вызывающего собственные колебания здания; точностью повторной установки приборов вдоль осей здания; погодными условиями во время измерений; уровнем и частотным составом динамического шума во время измерений; методами выявления периодов и логарифмических декрементов колебаний из полученных записей и др. Кроме того, даже выявленные изменения в периодах и логарифмических декрементах колебаний, свидетельствуют лишь о том, что необходимо проводить традиционное обследование всего здания и определять где и что изменилось в конструкциях и опасно ли это изменение для эксплуатации здания. Эта методика не позволяет локализовать места изменения напряжённодеформированного состояния конструкций здания.

При мониторинге высотных зданий также используются сейсмометрические методики, которые могут выполняться различными измерительными устройствами — деформографами, наклономерами и 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 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.

Сейсмометрический мониторинг. Для возможности обследования здания в целом используются датчики в диапазоне частот от 0,2 Гц и выше, причём низкочастотный край диапазона ориентирован на выявление изменений в состоянии конструкций и может применяться для оценки физических характеристик грунтов оснований в условиях естественного залегания (модулей упругости, параметров нелинейности, флюидонасыщенности и пр.).

Остановимся на основных способах сейсмометрического мониторинга зданий. Для отслеживания изменений необходимо повторение наблюдений при сравнении регистрируемых волновых полей. Исходя из способов получения волновых полей и схем обработки, можно выделить три группы методик мониторинга конструкций зданий:

• с возбуждением колебаний зданий искусственными источниками — ударами разной силы по зданию или в не его. Основные недостатки — требуется создание идентичного воздействующего сигнала для накопления отклика и подавление микросейсм; доступны лишь отдельные части здания, так как достаточно сложно возбудить колебания ниже 1 Гц — частоты, характерные для основного тона собственных колебаний высотных зданий.
• при воздействии на здание микросейсм и их регистрации на коротких профилях в здании с последующей корреляционной обработкой. Например, при анализе функции когерентности каналов выявляют собственные колебания зданий, проводится построение амплитудных и фазовых распределений по объёму сооружения. В это способе возможно, при условии подходящего соотношения частот, ошибочное включение в обработку колебаний, наведенных на здание от других объектов.
• источником, возбуждающим собственные колебания здания, являются постоянно присутствующие пульсации атмосферного давления, регистрируют одновременно пульсации давления (микробарографом) и микросейсмы по трём компонентам (X, Y, Z), наблюдения могут вестись в одной точке, в том числе вне здания. При обработке выделяют тонкие линии в спектре, анализируют временной ход их амплитуд в сравнении с ходом вариацийерантомгосф давления, что позволяет отсеять наведенные колебания от соседних сооружений. Мониторинг по этому способу может вестись в одной точке, обследования целостности здания — в нескольких ключевых точках.

Последний способ представляется наиболее технологичным и экономичным. Кроме того, модификация этой методики может применяться для изучения свойств оснований сооружений, а также для задач сейсмического просвечивания. В настоящее время по способу оборудована станция стационарного мониторинга высотного жилого здания «Эдельвейс» в Москве (ул. Давыдковская), измерения проводятся с интервалом в 10 суток в течение около трёх лет.

Опыт мониторинга высотного жилого дома «Эдельвейс» показывает, что схема наблюдений, использующая для возбуждения колебаний здания ветровые пульсации, позволяет определить собственные частоты и следить за изменением их во времени. На рисунке 1 показано изменение во времени (временной ход) значений собственных частот основного тона для высотного 44-эт. жилого дома «Эдельвейс» (0,54 и 0,72 Гц в направлениях разных осей плана X, Y). После ввода в эксплуатацию наблюдается тенденция к систематическому уменьшению значений — за год на 0,015 Гц, что связано, по-видимому, с «загрузкой» здания.

Важным вопросом организации сейсмометрического мониторинга является подбор датчиков и их размещение. Основные параметры для выбора типа датчика — частотный диапазон и чувствительность. Несомненно, что сейсмометр должен регистрировать собственные колебания основного тона и нескольких более высокий гармоник.

Рис. 1. Изменение во времени собственных частот основного тона колебаний здания «Эдельвейс» в горизонтальной плоскости (по осям X, Y)

Для высотных зданий основной тон лежит в диапазоне менее 1 Гц (обычно 0,2…0,8 Гц), частоты выше 25…30 Гц регистрировать нецелесообразно (полезный сигнал маскируется промышленными помехами). Таким образом, мониторинг должен вестись датчиками, ориентированными на сейсмологические наблюдения. В настоящее время нами опробованы различные типы датчиков.

В ГУП МНИИТЭП разработана методика динамического зондирования и ранней диагностики деформационного состояния несущих конструкций, основанная на анализе изменения передаточных функций, построенных для различных по высоте участков здания. Эта методика применима и для протяжённых в плане зданий, в этом случае передаточные функции строятся для различных участков здания вдоль протяжённой оси. Под передаточной функцией части здания понимается отношение компонент спектров мощности зарегистрированных сигналов в двух точках здания, а именно в месте динамического воздействия, заданного в виде широкополосного импульса, и в месте регистрации отклика этого воздействия, прошедшего через рассматриваемую часть здания. Такая передаточная функция характеризует напряжённо-деформированное состояние конструкций именно в той части здания, через которое прошёл заданный широкополосный импульс.

Изменение передаточной функции (изменение величин коэффициентов усиления для различных частот) свидетельствует об изменении напряжённо-деформированного состояния конструкций именно в этой части здания. Таким образом, удаётся не только выявить изменение напряжённо-деформированного состояния конструкций здания, но и локализовать место такого изменения в пределах количества этажей здания (для случая вертикального расположения точек измерения) межу соседними точками измерения. Для высотных зданий целесообразно производить измерения через каждые пять этажей, ограничивая область локализации изменения напряжённо-деформированного состояния в пределах данной этажности, где при необходимости потребуется проводить традиционное обследование и выяснять степень опасности изменения напряжённодеформированного состояния конструкций.

На основании рассмотренного метода ГУП МНИИТЭП совместно с Российской инженерной академией, ООО «Сервиспрогресс» и ЗАО «Стройтехноинновация» разработана стационарная автоматизированная станция мониторинга деформационного состояния строительных конструкций высотных зданий. Станция разработана с применением современных высоких технологий и требований эргономики, обладает высокой надёжностью, безопасностью, точностью и чувствительностью наблюдений в широком динамическом и частотном диапазонах.

Модульная структура станции позволяет наращивать её конфигурацию в зависимости от объекта. Станция обладает повышенной живучестью в аварийных ситуациях за счёт устойчивости к перегрузкам и наличия автономного питания. В станции используются следующие элементы (рис. 2): измерительные пункты (1), устанавливаемые на несущих конструкциях различных этажей высотного здания, с датчиками для регистрации ускорений колебания конструкций, расположенные наойодн вертикальной прямой вблизи центра масс здания (возможна другая конфигурация в зависимости от конфигурации высотного здания).

Датчики обеспечивают высокочувствительные измерения ускорений колебаний здания (от 10^-5 м/с²) по трём ортогональным компонентам в полосе частот от 0,5 до 50 Гц, в динамическом диапазоне до 120 дБ при частоте дискретизации сигнала 400 Гц/канал. Интеллектуальные возможности датчиков предусматривают самотестирование и автокалибровку каналов измерения, аналого-цифрового преобразователя, питающих напряжений и оценку работоспособности датчика перед каждым сеансом регистрации; программное включение и выключение конкретных датчиков по требованию программы; измерительные пункты (2), устанавливаемые на несущих конструкциях нижнего подземного этажа высотного здания, с датчиками для регистрации кренов здания. Датчики обеспечивают измерения углов наклона в диапазоне ±300″ при точности измерения ±3″, имеют устройство автоматической температурной компенсации и устойчивы к механическим динамическим воздействиям.

Рис. 2. Схема расположения измерительных пунктов станции мониторинга деформационного состояния строительных конструкций зданий (• — измерительный пункт, в котором производятся трёхкомпонентные измерения ускорений; о — измерительный пункт, в котором производятся измерения наклонов здания)

Средняя наработка на отказ — 10 000 часов; место централизованного сбора информации станции (3). Технические средства центра сбора информации содержат персональный компьютер и адаптер, обеспечивающий ввод цифровых данных датчиков в компьютер; система связи (4) между измерительными пунктами и местом централизованного сбора информации. Система связи обеспечивает передачу данных датчиков (общим числом до 32) в центр сбора по двухжильной коммуникационной линии в стандарте интерфейса RS-485.

Программные средства станции включают управляющую программу, пользовательский графический интерфейс и средства цифровой интерактивной обработки.

Управляющая программа обеспечивает работоспособность и функционирование станции в целом. В задачи управляющей программы входят инициализация и подготовка технических средств станции к работе; конфигурирование и тестирование системы; управление вводом цифровой информации в персональный компьютер.

Пользовательский интерфейс программы обеспечивает удобное графическое представление многоканальной информации в режиме реального времени и обеспечен комфортной справочной системой и контекстной помощью. У оператора, проводящего обработку и анализ зарегистрированной информации, есть широкий выбор инструментов для документирования, архивирования и конвертации данных.

Цифровая обработка включается в себя два основных этапа: этап предварительной обработки зарегистрированных сигналов с целью улучшения соотношения сигнал/шум и выделения полезной части сигнала, включающий в себя такие алгоритмы, как нормирование, деконволюция, полосовая фильтрация, и спектральный анализ и расчёт основных динамических параметров зарегистрированных сигналов.

Программа написана на языках WinAPI и С++ и объединяет 19 подпрограмм обработки и управления в пакет под общим названием ПРДП. Программное обеспечение разработано для WINDOWS 2000 и WINDOWS XP.

Синхронная регистрация колебаний всех датчиков позволяет анализировать поведение конструкций здания при динамических воздействиях, включая ветровые нагрузки. Раздельная регистрация прохождения задаваемого последовательно на различных этажах здания широкополосного импульса в нескольких измерительных пунктах позволяет строить и анализировать передаточные функции тех частей здания, в которых расположены эти пункты.

На станции осуществляется также контроль общего наклона здания и его частей. В первые три года мониторинг изменения напряжённодеформированного состояния несущих конструкций высотных зданий следует проводить два-три раза в год, а в последующие периоды эксплуатации — один раз в год.

Предложенная методика положена в основу обеспечения конструктивной безопасности высотных зданий и подготовленные в настоящее время МГСН 19-05 «Многофункциональные высотные здания и комплексы» предусматривают в обязательном порядке установку стационарных станций мониторинга основных несущих конструкций зданий.

В соответствии с совместным распоряжением Правительства Москвы и Госстроя России № 19/2195-РП от 28 ноября 2003 г. «О разработке нормативов для проектирования, строительства и эксплуатации высотных зданий» ГУП МНИИТЭП разрабатывает нормативный документ по эксплуатации многофункциональных высотных зданий и комплексов, в котором сформулированы основные требования к мониторингу напряжённодеформационного состояния несущих конструкций.

1. Эксплуатационный мониторинг несущих конструкций многофункциональных высотных зданий и комплексов необходим для обеспечения безопасности функционирования таких зданий и является основой эксплуатационных работ, требующихся в многофункциональных высотных зданиях и комплексах.
2. В качестве элемента контроля и ранней диагностики деформационного состояния несущих конструкций высотного здания обязательна установка стационарной станции мониторинга деформационного состояния конструкций здания. Станция должна обеспечивать в автоматизированном режиме (при проведении периодических измерений) выявление изменения напряжённо-деформированного состояния конструкций и локализацию мест такого изменения в конструкциях, а также давать информацию о наклонах здания.
3. После выявления мест изменения напряжённо-деформированного состояния конструкций осуществляется обследование этих частей высотного здания и по результатам обследования делаются выводы о деформационном состоянии конструкций, причинах изменения их напряжённодеформированного состояния и необходимости принятия каких либо мер по восстановлению или усилению конструкций.
4. В качестве дополнительного элемента контроля аварийных ситуаций несущих конструкций высотного здания, в основном связанных с динамическими перенапряжениями элементов несущих конструкций, целесообразна установка системы датчиков, настроенных на предельные значения деформаций и наклонов, подающих необходимые сигналы в диспетчерскую высотного здания и систему ГОЧС Москвы.

Таким образом, нормы, являющиеся обязательными для всех форм собственности и реализующие предложенную методику мониторинга напряжённо-деформированного состояния несущих конструкций высотных зданий, позволят обеспечить диагностику изменения напряжённодеформированного состояния конструкций на ранней стадии, локализовать места такого изменения и экономически эффективно обследовать локализованные участки конструкций для выяснения причин изменений, определения степени опасности таких изменений и при необходимости принятия мер по устранению выявленных негативных тенденций.

Следует отметить также, что разработанная станция мониторинга деформационного состояния строительных конструкций зданий позволяет службам эксплуатации высотных зданий получать информацию: для анализа динамического поведения зданий как при динамических воздействиях со стороны грунта, так и при ветровых нагрузках; для контроля уровня поэтажных колебаний (отклонений от исходной вертикальной оси) объекта; для анализа кренов различных частей фундамента здания.

В соответствии с обязательным приложением 2 «Стационарная станция мониторинга» МГСН 19-05 ГУП МНИИТЭП разработал проект такой станции для 56-ти этажного здания Многофункционального административно-делового комплекса по адресу: Краснопресненская наб. 18 (ММДЦ Москва-Сити, участок № 10, блок «С»). Станция состоит из основных частей, функциональные характеристики, которых определяются их назначением — аппаратурно-измерительной части и компьютерноинформационного центра.

В аппаратурно-измерительную часть входят следующие компоненты: одиннадцать цифровых трёхкомпонентных, модульного исполнения акселерометров ЦТА-СМ, предназначенных для одновременной и раздельной записи ускорений колебаний несущих конструкций здания по трём взаимно ортогональным направлениям, размещенных в стационарных пунктах наблюдений. Трёхкомпонентные акселерометры стационарно смонтированы и одинаково ориентированы на одной вертикальной оси в стене ЛЛУ ядра жёсткости здания.

На последнем верхнем уровне здания установлен цифровой трёхкомпонентный сейсмометр ПРДП для определения амплитуды, периода и логарифмического декремента основного тона собственных колебаний здания в трёх ортогональных направлениях.

На фундаментной плите установлены шесть цифровых двухкомпонентных наклономеров ЦНД-1 для измерения наклонов основания здания. Четыре наклономера располагаются в крайних точках, на взаимно перпендикулярных осях здания, пятый и шестой — в центре все приборы соединены с компьютерно-информационным центром единым кабелем типа «витая пара» через разделительные коробки.

2. Мониторинг технического состояния уникальных зданий и сооружений

Мониторинг технического состояния оснований и строительных конструкций уникальных зданий и сооружений проводят с целью обеспечения их безопасного функционирования, его результаты являются основой эксплуатационных работ на этих объектах.

При мониторинге осуществляют контроль за процессами, протекающими в конструкциях объектов и грунте, для своевременного обнаружения на ранней стадии тенденции негативного изменения напряжённо-деформированного состояния конструкций и оснований, которое может повлечь переход объекта в ограниченно работоспособное или аварийное состояние, а также получения необходимых данных для разработки мероприятий по устранению возникших негативных процессов.

Состав работ по мониторингу технического состояния оснований и строительных конструкций уникальных зданий и сооружений регламентируется индивидуальными программами проведения измерений и анализа состояния несущих конструкций в зависимости от технического решения здания или сооружения и его деформационного состояния.

В эксплуатируемом уникальном здании или сооружении, как правило, доступ к большей части несущих конструкций существенно ограничен, а работы по традиционному обследованию технического состояния конструкций трудоемки и дороги. Для таких объектов применяют специальные методы и технические средства раннего выявления и локализации мест изменения напряжённо-деформированного состояния конструкций с последующим обследованием технического состояния выявленных опасных участков конструкций.

Для проведения контроля и ранней диагностики технического состояния оснований и строительных конструкций уникального здания или сооружения устанавливают автоматизированную стационарную систему мониторинга технического состояния (в соответствии с заранее разработанным проектом), которая должна обеспечивать в автоматизированном режиме выявление изменения напряжённодеформированного состояния конструкций с локализацией их опасных участков, определение уровня крена здания или сооружения, а в случае необходимости — и других параметров (деформации, давление и др.). Настройку автоматизированной стационарной системы мониторинга осуществляют, как правило, с использованием заранее разработанной математической модели для проведения комплексных инженерных расчётов по оценке возникновения и развития дефектов в строительных конструкциях, в том числе и в кризисных ситуациях.

Автоматизированная стационарная система мониторинга технического состояния оснований и строительных конструкций должна:

• проводить комплексную обработку результатов проводимых измерений;
• проводить анализ различных измеренных параметров строительных конструкций (динамических, деформационных, геодезических и др.) и сравнение с их предельными допустимыми значениями;
• предоставлять достаточную информацию для выявления на ранней стадии тенденции негативного изменения напряжённодеформированного состояния конструкций, которое может привести к переходу объекта в ограниченно работоспособное или аварийное состояние.

При выявлении мест изменения напряжённо-деформированного состояния конструкций проводят обследование этих частей, и по его результатам делают выводы о техническом состоянии конструкций, причинах изменения их напряжённо-деформированного состояния и необходимости принятия мер по восстановлению или усилению конструкций.

По результатам мониторинга технического состояния оснований и строительных конструкций уникальных зданий и сооружений выдают заключение, форма которого должна быть разработана по результатам проектирования автоматизированной стационарной системы мониторинга технического состояния оснований и строительных конструкций.

Мониторинг системы инженерно-технического обеспечения уникальных зданий и сооружений проводят с целью обеспечения её безопасного функционирования. Его результаты являются основой работ по обеспечению безопасной эксплуатации этих объектов. При мониторинге осуществляется контроль пзаосроаббноотсотсью и результатами работы системы инженерно-технического обеспечения для своевременного обнаружения на ранней стадии негативных факторов, угрожающих безопасности уникальных зданий и сооружений.

Для проведения контроля и ранней диагностики технического состояния системы инженерно-технического обеспечения конкретного уникального здания (сооружения) устанавливают систему мониторинга инженерно-технического обеспечения (в соответствии с заранее разработанным проектом).

При мониторинге технического состояния уникальных зданий и сооружений по решению местных органов исполнительной власти, органов, уполномоченных на ведение государственного строительного надзора, или собственника объекта проводят мониторинг общей безопасности этих объектов (с комплексной оценкой риска) на случай возникновения аварийных воздействий природного и техногенного характера.

Рассмотрим на примере Кронштадтского Морского собора эффективность использования динамических характеристик для диагностики его технического состояния.

Определение динамических характеристик здания собора проводилось дважды: в период с 10 марта по 10 апреля 2005 г. и в период 22 — 26 июня 2009 г. Целью испытаний являлось определение технического состояния здания по результатам сравнительного анализа его пространственной жёсткости.

Для оценки динамических характеристик на каждом этапе мониторинга (собственных частот колебания, форм колебания храма) использовались средства и методы, разработанные в организациях Министерства обороны.

Обследуемый объект выполнен по жёсткой конструктивной схеме с продольными и поперечными несущими стенами, кирпичными и бетонными колоннами, куполами и перекрытиями. Центральный купол и главные конхи — из армированного бетона.

В результате испытаний, проведённых в 2009 г., получены следующие значения собственных частот колебаний: 2,7 Гц — первый тон, поперечное направление; 3,0 Гц — первый тон, продольное направление; 3,78 Гц — крутильные колебания.

Кроме того, имеют место сложные колебания (осесимметричные) на близкой к основным формам частоте: 4,4 Гц.

Сравнительный анализ собственных частот колебаний здания в марте 2005 г. и в июне 2009 г. показывает, что:

• собственная частота колебаний здания по первому тону в продольном направлении практически не изменилась и составляет 3,0Гц (значения частоты, полученные при испытаниях в 2005 г., составляли 3,01 Гц);
• собственная частота колебаний здания по первому тону в поперечном направлении снизилась на 12% (была 3,08 Гц, стала 2,7Гц), что соответствует снижению жёсткости на 17%, см.спектры колебаний 2005 и 2009 гг., представленные на рис. 3;
• частота крутильных колебаний снизилась на 7%;
• частоты «осесимметричных» колебаний снизились на 6% в обоих направлениях, что косвенно свидетельствует об отсутствии изменений в степени защемления фундаментов.

а )                                                                                                  б)

Рис. 3. Амплитудный спектр: а — измерения 2005 г.; б — измерения 2009 г.

Таким образом, можно предполагать, что с 2005 г. произошли определённые изменения в состоянии несущих конструкций, повлекшие снижение пространственной жёсткости сооружения.

Если теперь вернуться к требованиям ГОСТ Р, то всё, что остаётся в случае получения такого рода результата, это провести повторное обследование через два года, если здание находится в работоспособном состоянии, или провести обязательное внеплановое обследование, если здание находится в ограниченно работоспособном состоянии.

Следовательно, этого явно недостаточно, поскольку можно значительно расширить информативность «динамических параметров», проанализировав, например, не только собственные частоты, но и формы колебаний.

На рисунке 4 приведены формы колебаний в поперечном направлении, относящиеся к периодам 2005 г. (прерывистая линия) и 2009 г. (сплошная линия). Анализ эпюр наглядно показывает, что при одинаковой степени защемления фундаментов отмечается заметное снижение жёсткости в уровне 0.. .16 м.

Рис. 4. Эпюры колебаний сооружения по первому тону (поперечное направление). — (2,7 Гц) — 2009 г., — (3,08 Гц) 2005 г.

Объяснением этого может служить гипотеза о потере связи основного объёма сооружения с «контрфорсами», роль которых выполняют лестничные клетки, располагающиеся по обеим сторонам здания до высоты 20 м. Повидимому, имеющиеся вертикальные трещины по линии соединения контрфорсов и основного объёма здания освободились ото льда и обеспечили податливость в поперечном направлении (измерения в 2005 г. проводились в марте и, возможно, стены здания и трещины были «заморожены»). Косвенным подтверждением этой гипотезы может служить тот факт, что частота крутильных колебаний снизилась всего на 7%, что вдвое меньше, т.е. доля поперечной податливости присутствует, но она значительно ниже.

Сопоставительный анализ эпюр колебаний в продольном направлении (рис. 5) также не противоречит предложенной гипотезе. Очевидно, что выключение из процесса колебаний «контрфорсов» снизило жёсткость здания и в продольном направлении. Об этом свидетельствует изменение наклона эпюры и увеличение относительной податливости фундаментов. Однако при этом снизилась масса сооружения, что компенсировало снижение частоты колебаний, которая осталась неизменной.

Рис. 5. Эпюры колебаний сооружения по первому тону (продольное направление):- (3,0 Гц) — 2009 г., — (3,01 Гц) 2005 г.

Таким образом, можно предполагать, что с 2005 г. по 2009 г. произошли определённые изменения в состоянии несущих конструкций Собора, повлекшие снижение пространственной жёсткости всего сооружения. По всей видимости, эти изменения связаны с отделением «контрфорсов», роль которых выполняют лестничные клетки, от основного объёма сооружения из-за раскрытия трещин и вытаивания влаги в теплый период.

Другим объектом мониторинга, на котором определялись динамические характеристики, являлись своды-оболочки цеха ЖБИ-2 ДСК-3 в Санкт-Петербурге. Определение динамических характеристик проводилось в 2004 и 2010 гг. в связи с необходимостью объективной оценки технического состояния уникальных конструкций.

Свод-оболочка представляет собой цельную конструкцию, состоящую из пяти однотипных бочарных сводов со стрелой подъёма 10 м, шириной 7,5 м и длиной 100 м.

Каждый свод представляет собой арочную конструкцию, состоящую из сборной железобетонной скорлупы, образующей верхний пояс, и двух предварительно напряжённых затяжек. Промежутки между сводами длиной 2,5 м перекрываются сборными железобетонными плитами, опирающимися на консоли бортов скорлупы сводов.

Каждый свод состоит из девяти рядовых, двух переходных и двух опорных секций. Внутри свода выполнены диафрагмы поперечной жёсткости.

Затяжки размером 850x290x8200 мм выполнены с пазами на боковых поверхностях для размещения пучковой арматуры.

Для крепления затяжек применена система подвесок из уголковой стали 75×75 мм с двумя диагональными связями, располагаемыми в третях свода. По оболочке выполнено покрытие из утеплителя и рулонного изолятора. Толщина покрытия 100 мм.

Определение динамических характеристик осуществлялось «методом свободных колебаний». При этом измерения проводились в 2004 и 2010 гг. по одним и тем же измерительным схемам, а состояние конструкции оценивалось путём сравнения жёсткостных характеристик оболочки — значений периодов собственных колебаний.

Как показывает опыт обследований, снижение собственной частоты колебаний по первой форме свидетельствует об изменении жёсткости в местах опирания конструкции, а по второй и более высоким формам — об изменении прочности материала, из которого выполнена конструкция.

В соответствии с ранее разработанными методическими рекомендациями микроколебания возбуждались путём создания серии нагрузок в различных точках покрытия при различных схемах расстановки измерительных датчиков. Для выделения каждой формы колебаний создавались комбинации воздействий, имитирующие одновременное приложение нагрузки в заданных точках конструкции и в заданных направлениях. На рисунке 6 представлена одна из схем расстановки датчиков, которая использовалась при испытаниях покрытия.

Пример результатов измерения колебаний покрытия приведён на рис. 7 и 8 (модули спектров Фурье). Как видно из приведённых записей, выделенные частоты свободных колебаний (отмечены красным цветом) составляют 1,68 и 2,0 Гц, Кроме того, выделены следующие частоты колебаний: 2,4; 2,85; 3,5; 4,05 Гц.

Рис. 7. Модули спектров Фурье на частоте 2,0 Гц ЗГп Х=1.404 V= 1Ш-0001 G8I _»ПО HF O.OJ И* лист 9

Рис. 8. Модули спектров Фурье на частоте 1,68 Гц

Анализ полученных результатов показывает, что во всех случаях величины собственных частот колебаний оболочки покрытия, полученные при повторном исследовании в 2010 г., имеют значения не ниже данных 2004 г. и различаются в пределах погрешности измерений. На рисунках 9 и 10 приведены в качестве сравнения модули спектров Фурье колебаний оболочки покрытия в 2004 г. и современные (2010 г.) измерения.

Рис. 9. Модули спектров колебаний оболочки на частоте 1,59 Гц (2004 г.) и 1,60 Гц (2010 г.)

Рис. 10. Модули спектров колебаний оболочки на частоте 1,85 Гц (2004 г.) и 1,90 Гц (2010 г.)

Приведённые примеры являются наглядным подтверждением как высокой эффективности использования динамических характеристик для мониторинга зданий и сооружений, так и явной недостаточности требований ГОСТ Р по необходимому набору регистрируемых параметров.

В частности, вместо «передаточных функций объектов» следовало бы предложить построение форм (эпюр) колебаний, а число фиксируемых частот колебаний по основным формам не регламентировать жёстко указаниями «вдоль длинной, короткой и вертикальной» осей здания. Кроме того, имело бы смысл для наиболее распространённых конструктивных схем указать ориентировочные значения частоты колебаний, чтобы был возможен предварительный анализ при первых измерениях.

А для зданий смешанных конструктивных схем с неравномерно распределенными весовыми или жёсткостными характеристиками следовало бы рекомендовать чисто методические приёмы, например, по регистрации специфических форм колебаний. В этом случае определяются динамические характеристики для изгибных колебаний относительно горизонтальной оси здания и т.п.

Характерными причинами и видами повреждений уникальных зданий и сооружений являются:

• неполный учёт воздействий (силовых, температурных, коррозионных, ветровых, снеговых) на отдельные конструкции зданий и сооружений;
• недопустимые отклонения от действия норм и проектов;
• неполный учёт совместной работы элементов системы здания, конструкции, основания;
• недостаточно полный контроль за качеством выполнения строительных работ;
• отсутствия мониторинга за окружающими зданиями и сооружениями;
• ошибки при устройстве ограждений, котлованов и фундаментов (особенно при высоком уровне грунтовых вод);
• неполный объём выполнения инженерно-геологических, гидрогеологических и климатических изысканий, а также отсутствие прогноза за их изменениями.