Geodetic deformation analysis during the evaluation of the technical condition of fabricated structural steel

Конструктивные элементы зданий и сооружений находятся под постоянным либо временным внешним воздействием, которое может быть как природного, так и техногенного характера. Совокупность этих воздействий, влияющих на объект капитального строительства, приводит в той или иной степени к деформации зданий и сооружений. Цель деформационного геодезического анализа – использование геодезических методов при получении данных о критических отклонениях конструкций зданий и сооружений от заданных в проекте, с определением временного отрезка возникновения этих изменений

Степень разработанности темы статьи определяется исследованием научных публикаций в области прикладной геодезии применительно к задачам геодезического мониторинга за деформациями инженерных сооружений

Объектом исследования является навес над трибуной футбольного стадиона на Дальнем Востоке (коллаж рис.1). На момент выполнения работ по оценке технического состояния объекта прошло пять лет после сдачи его в эксплуатацию и полтора года после производства работ по проекту реконструкции/усиления.

Рисунок 1 - Навес над трибуной футбольного стадиона, общие виды

DOI:10.60797/IRJ.2025.154.100.1

Изначально проект навеса представлял собой сборную стальную консольную ферму на оттяжках, размерами 114 на 22 метра, на опорах-стойках из ферменных стальных столбов (рис. 2а). По проекту усиления, целью которого было обеспечение постоянного использования в качестве кровельного материала профилированного металлического листа вместо съёмной тентовой ткани, а также предотвращения подъёма навеса преобладающими в этих местах сильными встречными ветрами, были проведены работы по внедрению в рабочую схему дополнительных оттяжек сзади для опорных стоек, с целью компенсации опрокидывающего момента появившегося из-за существенного увеличения массы консольной части, а также частичная замена тросов консольных оттяжек на жесткие балки (рис. 2б).

Рисунок 2 - Конструктивная схема навеса трибуны

DOI:10.60797/IRJ.2025.154.100.2

Навес сооружен над восточной трибуной стадиона, образованной склоном природного рельефа. Его стойки имеют независимый фундамент в виде прямоугольного в плане монолитного железобетонного ростверка на свайном основании (из буроинъекционных свай).

Структурно в конструкции навеса выделяются 16 основных сечений, в которых располагаются ферменная опора-стойка (далее колонна) и примыкающая с ней главная ферменная балка на оттяжках (далее балка). Элементы конструкций пронумерованы с севера на юг, где К1 самая северная колонна. Ситуационный план представлен на рис 3.

Рисунок 3 - Ситуационный план объекта

DOI:10.60797/IRJ.2025.154.100.3

Для объекта отсутствуют сведения о геодезическом мониторинге и факте его проведения на этапе первоначального сооружения и реконструкции, также на металлоконструкциях отсутствуют деформационные метки для возможности проведения стандартной процедуры геодезического мониторинга для сверки с эталонным состоянием.

Целью исследования являлось выполнение анализа напряженно-деформированного состояния металлоконструкций в комплексе выполнения работ по экспертной оценке технического состояния сооружения.

Исследования выполнялись с использованием электронного безотражательного тахеометра SOKKIA SET530R и комплекса вспомогательного программного обеспечения на платформе nanoCAD от компании «Нанософт».

Изначальным планом было: проведение одного краткосрочного двухэтапного мониторинга (зима-лето), для оценки стабильности геометрического положения конструкции при различных температурных и нагрузочных условиях (снежный наст).

Для этого с использованием принципов электронно-блочной тахеометрии был получен файл точек, отражающих пространственное положение главных конструктивных элементов сооружения, колонн и балок в 16-ти сечениях, собранных наведением «на глаз» равномерным шагом вдоль их главных плоскостей и коррекцией поперечного наведения на центральную ось

Положения точек консольной части навеса получены с одной станции, внизу посередине у бровки поля, и собраны вдоль осевых линий нижних поясов ферменных балок с фиксацией продольного положения фланцев и законцовок. Положения точек ферменных колонн получены с двух станций (на площадке восточнее за трибунами) и собраны из двух наборов данных для поперечных и продольных отклонений при наблюдении плоскостей центральной двутавровой балки. Прогиб круглых стальных оттяжек и положения точек задних анкеров получены с трех станций, на площадке за трибунами. Файлы точек всех станций сводились в единую съемку через промежуточные точки временных реперов на бетонных конструкциях трибун. Привязка к глобальным системам координат не выполнялась, все результаты даны в условной системе координат, ось которой проходит вдоль основной линии расположения навеса/трибуны/поля. 

В процессе производства работ, для выполнения промежуточной визуальной оценки характера деформаций, использовались возможности программного комплекса nanoCAD. Для этого точки однотипных элементов конструкций объединялись в блок и поворачивались так, чтобы основные рабочие плоскости были сориентированы вдоль основных координатных плоскостей CAD системы. Далее для этих блоков выполнялась разномасштабная по осям линейная трансформация. В результате деформации сооружения на изображении приобретали гипертрофированный характер, что упрощало визуальное восприятие характера деформаций и способствовало поиску «проблемных» мест. На рис. 4 представлена раскадровка «3d облёта» колонн центральной части навеса, где колонна К7 смещена вперед и имеет значительно отличающийся от соседних угол поперечного наклона.

Рисунок 4 - Скриншоты из CAD системы (раскадровка)

DOI:10.60797/IRJ.2025.154.100.4

В развитие этого приема в итоговый отчет вошли графики-профиллограммы, где положения точек однотипных элементов конструкции отображены на профилях характерных разрезов в разных масштабах по продольным и поперечным осям.

Графики высотных отклонений построены для трех вертикальных сечений, включающих в себя оба края и середину ферменной балки, и представлены на рис. 5. Данные на графике представлены в виде относительных высотных отклонений в точках среза и вертикальный масштаб ситуации для наглядности увеличен в 100 раз.

Рисунок 5 - Графики высотных отклонений

DOI:10.60797/IRJ.2025.154.100.5

Для тех же точек были построены графики плановых отклонений, и в дополнение, плановых отклонений двух срезов 12 колонн центральной части (по проекту располагаются на прямой), на уровне земли и на высоту крепления консоли (рис. 6). Данные на графике представлены в виде относительных горизонтальных отклонений, поперечный масштаб увеличен в 100 раз, а для плановых отклонений колонн на уровне стыка, отображенных красными стрелками, оба масштаба увеличены в 100 раз.

Рисунок 6 - Графики горизонтальных отклонений

DOI:10.60797/IRJ.2025.154.100.6

Также в рамках оценки напряженно-деформированного состояния была предложена концепция визуально-графического сравнительного анализа. Где точки однотипных элементов (балок и оттяжек) вырезались и переносились в новую пространственную матричную структуру так, что при наслоении друг на друга можно увидеть весь диапазон существующих деформированных состояний и выделить маски для сравнительного анализа.

Для круглых оттяжек (зеленые справа) было выделено 4 группы состояний, которые на маске обозначены окружностями (рис. 7). На рис. 8 представлен фрагмент приложения 1 к отчету. Для ферменных балок общее поле прогибов выделено серой зоной и также используется как маска для сравнительного анализа. На проекциях ферменных балок, левая сторона соответствует внешнему краю балки, правая сторона соответствует краю, стыкуемому с колонной. Стоит заметить, что поперечный масштаб деформаций многократно увеличен и различается для оттяжек и балок.

Рисунок 7 - Полный диапазон деформированных состояний

DOI:10.60797/IRJ.2025.154.100.7

Рисунок 8 - Фрагмент приложения 1, отчет

DOI:10.60797/IRJ.2025.154.100.8

Хотя использованные визуально-графические методы не является математически точными, в них используются принципы классического математического анализа для поиска точек экстремума и смены кривизны.

Считаем также возможным развитие предлагаемого метода, с созданием математических алгоритмов, для которых входными данными будут служить профили деформаций с аппроксимацией их полиномами заданной степени.