Мониторинг зданий и сооружений (стр. 7 из 10)

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. Ниже представлены примеры создания различных вариантов схем на основании опыта мониторинга высотных зданий в России (с 2003 г.) и обобщения практики строительства за рубежом.

Инструментальный мониторинг конструкций и оснований зданий опирается, в основном, на четыре класса методик:

- геодезические измерения; выполняются как с помощью традиционной нивелировки, так и с использованием современных цифровых датчиков, спутниковых GPS-технологий, возможно лазерное сканирование объекта. Данные методики позволяют определять перемещение объекта (здания или отдельных его частей) в пространстве, в том числе, измерять осадки и крены. Получаемые данные соответствуют состоянию на момент измерений, т.е. при достаточно редких по времени замерах методики не дают подробной динамики поведения объекта;

- инженерно-геологические наблюдения состояния грунтового массива в основании и в окрестности здания. 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;

- измерения нагрузок и деформаций в конструкциях фундамента и надземной части. Тут также существует набор инструментов, ниже рассмотрены схемы с использованием вибрационных датчиков напряжений, монтируемых по 1-, 2- и 3-м пространственным координатам X, Y, Z в точке и размещаемых в фундаментной плите, а также в стенах, пилонах и колонах здания. Наблюдения могут вестись в автоматическом режиме и, в том числе, непрерывно;

- сейсмометрические методики; 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 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.

Комплексирование первых трех типов мониторинга с сейсмометрическими наблюдениями позволяет связать между собой все получаемые данные. На рис. 2 представлен пример схемы мониторинга, разработанной для высотного комплекса "Континенталь" с плитным фундаментом в Москве на пр. Маршала Жукова. Схема мониторинга включает инструментальную (аппаратурную) часть и программное обеспечение, собирающее данные, их обрабатывающее и оценивающее состояние здания.

Рис. 2. Блок-схема инструментального мониторинга высотного комплекса “Континенталь” в Москве.

На рис. 3 показаны примеры инструментального оснащения схем мониторинга для плитного фундамента (Москва), а также для плитно-свайного (Казань). Инструментальное оснащение мониторинга может варьироваться, но основными элементами являются:

- скважинные измерения осадок в грунтах, при малом числе скважин - дополняются измерениями наклонов;

- измерения порового давления и вариации уровня грунтовых вод;

- определения нагрузок на грунт и напряжений в фундаментной плите и сваях;

- измерение напряжений в конструкциях: стенах, пилонах и колонах;

- наблюдение колебаний здания.

Рассмотрим принципы проектирования размещения оборудования. Определяющим для подбора конкретных измерительных средств является объемно-планировочное и конструктивное решения объекта, результаты инженерно-геологических изысканий. Основу геометрии размещения составляют результаты расчетов статики и динамики сооружения, важную роль играют результаты аэродинамических испытаний макетов. Проиллюстрируем конкретными примерами.

Рис. 3. Схема расстановки оборудования инструментального мониторинга высотных зданий в Москве (А) и в Казани (В): 1 - геодезические измерения осадок, 2 – датчики давления на грунт, 3 – скважинные измерения осадок (послойных и суммарных), 4 - датчики порового давления, 5 – тензодатчики, 6 - сейсмометрические измерения колебаний, 7 – двухкоординатный инклинометр (измерение крена).

На рис. 4 и 5 представлены результаты расчетов осадок, нагрузок и моментов для коробчатой фундаментной плиты высотного корпуса жилого комплекса "Континенталь" в Москве. Сопоставление расчетов показывает, что зоне наибольших осадок в центральной части плана соответствует область растяжений, что в значительной мере определяет конфигурацию расстановки датчиков разных типов. На плане показаны места установки скважинных датчиков осадок (суммарных и послойных), порового давления, а также датчиков давления на грунт и напряжений в плите (по 3 направлениям X, Y, Z). Видно, что скважины для измерения осадок (5 шт.) позволяют контролировать состояние объекта по основным осям плана, причем для зон разной нагруженности. Достаточно "спокойная" инженерно-геологическая ситуация и устойчивость здания по соотношению ширина-высота позволили здесь "сэкономить" на датчиках крена. Датчики давления на грунт и напряжений в плите образуют своеобразные поля, геометрия их расположения определяется расчетными полями осадок и нагрузок, причем контролируются участки разного нагружения и осадки.

Рис. 4. Проектирование схемы мониторинга фундаментной плиты высотного здания "Континенталь" в Москве - расположение датчиков на результатах расчетов: вверху - осадок, внизу - вертикальной нагрузки; датчики: 1- 3D тензометры, 2 - давления на грунт, скважинные измерения: 3 - порового давления, 4 - послойных и 5 - суммарных осадок.

Таким образом, данная схема позволяет не только вести мониторинг объекта, но и сопоставлять расчетные и реальные величины, получаемые на натурном объекте. Приведенные примеры и опыт мониторинга комбинированных плитно-свайных фундаментов в Германии демонстрируют, что применение схем мониторинга грунтового массива и фундаментов позволяет не только следить за состоянием здания, но и на основании анализа натурных и расчетных данных применять в последующих зданиях более эффективные конструктивные решения.

Рис. 5. Проектирование схемы мониторинга фундаментной плиты высотного здания "Континенталь" в Москве - расположение датчиков на результатах расчетов: вверху - горизонтальной (по оси X) нагрузки, внизу - моментов относительно оси X; датчики - те же, что на рис. 4.

Датчики в элементах конструкций здания. В зарубежной практике принято устанавливать поля 1-мерных датчиков напряжений по системе взаимно-перпендикулярных линий. Результаты измерений легко визуализировать в поля деформаций. При более экономной схеме в ключевых точках монтируются 3D-датчики по осям X, Y, Z. Датчики крепятся на арматуру в процессе строительства. Сигнальные кабели от датчиков сводятся в комнату мониторинга, откуда идет автоматический опрос показаний (рис. 1)

На рис. 6 на примере результатов расчетов сил и моментов для колонн стилобата высотного жилого комплекса "Континенталь" в Москве показано размещение 3D-датчиков. Контролируется напряженно-деформированное состояние участков наибольших нагрузок и моментов. На данном объекте мониторинг напряжений ведется в фундаментной плите, в стенах и колонах стилобата и на уровне 1-го этажа. Особое внимание уделяется пилонам и колонам. Существенно, что датчики расположены таким образом, что образуют объемную схему мониторинга в нижней части здания.