1. Введение

Оценка технического состояния здания проводится непосредственно после чрезвычайной ситуации или получения разрушений, а также по истечению 2–5 лет его эксплуатации. Если техническое состояние здания будет оценено как «аварийное» или «ограниченно-работоспособное» (с опасностью перехода в аварийное техническое состояние), дальнейшая эксплуатация его будет запрещена. Следует иметь ввиду, что особое место в определении категории здания по результатам контроля имеет техническое состояние фундамента и грунтового основания. Для оперативной оценки технического состояния необходимы надежные методы диагностики системы «грунт-здание». Особую трудность диагностирования представляют здания, подвергшиеся сильному динамическому воздействию и отсутствии возможности обнаружить дефекты визуальными методами. Для указанных сложных случаев оценка технического состояния должна выполняться для системы «грунт-здание» с учетом их интегральной жесткости [1], [2], [3]. При этом метод должен сочетать в себе оперативную диагностику всей системы «грунт-здание», а также проверку отдельных элементов системы.

Научная новизна работы состоит в создании метода динамико-геофизического обследования транспортной галереи и жилого дома, пострадавших от пожара, с применением комплекса «Струна». Впервые определены количественные показатели уменьшения частот собственных колебаний, используемые для оценки остаточного ресурса конструкций, подвергшихся термическому воздействию. Разработанный метод даёт возможность быстро обнаруживать участки снижения прочности в протяженных объектах и классифицировать уровень их повреждений без необходимости разрушающего контроля.

2. Методы и принципы исследования

Вопросы диагностики сооружений динамико-геофизическим методом были рассмотрены А. Х. Авгуцевичем и Г. М. Нигметовым. В их трудах [3], [4] отмечается, что указанный метод, реализуемый с помощью мобильного комплекса «Струна», позволяет определять интегральную жёсткость строительных объектов по характеристикам их собственных колебаний.

Оперативность инженерной диагностики строений и конструкций может быть повышена при использовании дронов [5], что позволяет существенно уменьшить время выполнения процедур (с недель до суток), уменьшить расходы на обследование и гарантировать защиту персонала благодаря дистанционному изучению опасных и сложных участков (высокие сооружения, восстановленные объекты после аварий и пожаров).

Применение комбинации аналитических и численных методов, как показывают отдельные исследования [6], дает хорошую сходимость по собственным частотам сооружения, получаемым дистанционными и контактными измерениями, демонстрируя потенциал данного метода для контроля состояния объектов и дифференциации влияния окружающей среды от фактических повреждений.

В рамках изучения динамических свойств грунтов некоторыми авторами [7] детально рассмотрены сейсмические подходы, основанные на анализе особенностей распространения упругих колебаний. Указанные особенности позволяют определять плотность, деформационные модули и жесткость грунтовых массивов, а также обнаруживать участки возможной неустойчивости при действии статических и динамических сил, таких как сейсмическая активность или техногенные вибрации.

С помощью сейсморазведки и электромагнитных методов другие авторы [8] определили распределение скоростей упругих волн в подстилающих грунтах, что необходимо для оценки их жесткости и деформационных свойств при динамических нагрузках. Ключевым элементом стали пассивные сейсмические измерения (микросейсмы) внутри и снаружи здания, позволившие определить резонансную частоту грунтовой толщи (0,9–1,2 Гц) и собственные частоты колебаний церкви (2,7–3,2 Гц).

В рамках изучения динамических вопросов статья [9] акцентирует внимание на статической составляющей: обнаружении областей выветривания, пустотных пространств и насыщенных водой каналов. В ней отмечается, что эти элементы могут провоцировать неравномерную осадку и снижение устойчивости фундаментных конструкций под воздействием вибрационных или сейсмических сил. Исследователи отмечают, что идентификация подобных неоднородностей является ключевой для предсказания поведения грунтового основания в динамических условиях, хотя непосредственные динамические тесты (сейсмические исследования или регистрация микросейсмичности) авторами не выполнялись.

2.1. Методология и особенности проведения работ

Проведение работ начинается с расстановки датчиков на объекте. Для оперативной оценки достаточно измерений с использованием 1-3-5 датчиков. Первый датчик ставится на грунте, второй датчик ставится на среднем уровне, третий датчик ставится на максимально возможной высоте.

При расстановке датчиков следует руководствоваться следующими требованиями:

- оси датчиков должны быть направлены одинаково для всех датчиков;

- датчики должны быть установлены на поверхности конструкции, надежно передающей собственные колебания;

- для надежного получения собственных колебаний датчики необходимо устанавливать в районе ядер и диафрагм жесткости.

Все варианты расстановки датчиков на объекте отображаются на схемах.

Для каждого варианта расстановки датчиков производится не менее 8 измерений.

Принципы определения доминирующих частот в системе «Струна» основываются на обработке спектра зафиксированных вибраций.

Оборудование комплекса работает в интервале от 0,1 до 400 (150) Гц, что дает возможность регистрировать вибрации сооружений различной конструкции и степени изношенности. Методом спектрального анализа выделяются максимумы, которые соответствуют собственным (резонансным) частотам сооружения, рассматриваемого как целостный объект. Предпочтение отдается тем частотам, которые обладают наибольшей амплитудой колебаний. Корректность выбранных частот проверяется путем сравнения с информацией из проектной документации или действующих нормативных требований.

После преобразования сигналов от датчиков из аналоговой формы в цифровую выполняется их цифровая фильтрация с целью подавления помех. Специальное программное обеспечение проводит анализ АЧХ и спектров регистрируемых колебаний. Программный комплекс определяет частоты собственных колебаний конструкции. Данный анализ представляет собой комплексную оценку системы «сооружение-основание», направленную на установление её интегральной жёсткости. Применение специализированного программного обеспечения даёт возможность быстро обрабатывать большие массивы данных. Пользователь может выбирать длительность регистрации сигнала в диапазоне от 64 до 4096 миллисекунд. Графическое представление и отчётность: Система предоставляет данные, необходимые для формирования заключения об отнесении здания к определённой категории технического состояния.

Измерения рекомендуется проводить в утренние или вечерние часы при минимальных техногенных помехах. Температура окружающей среды должна быть в пределах рабочих характеристик компонентов комплекса (обычно от –20 до +40 °C), а относительная влажность воздуха — не более 80%. Датчики устанавливаются на твёрдые, очищенные от загрязнений участки конструкций в трёх взаимно перпендикулярных направлениях.

Оценка точности полученных результатов производится в 3 этапа. Изначально выполняется метрологическое обеспечение — калибровка оборудования и настройка обработки сигналов. Далее выполняется статистическая обработка данных — расчет коэффициента вариации и оценка разброса результатов. Конечным этапом является сопоставление данных с независимыми прямыми измерениями. Допустимое расхождение при этом составляет не более 25%.

2.2. Выбор метода для оперативного НК технического состояния здания

Для оперативной оценки состояния зданий способы визуального контроля и локальных измерений не в полной мере пригодны. Визуальные методы применимы для оценки внешних дефектов конструкций, но не позволяют выявить скрытые дефекты, требуют проведения экспертных оценок. Методы определения локальной прочности не дают представления о техническом состоянии здания в целом. Кроме того, методы неразрушающего контроля, являясь косвенными, имеют большие погрешности, для них необходимы калибровочные кривые, получение которых связано с применением прямых разрушающих методов. Геодезические методы позволяют получить локальные и общие по зданию данные по геометрии, однако, сегодня методик оценок состояния здания по изменениям геометрических данных не создано. Их можно рассматривать как локальные вспомогательные методы, не оценивающие техническое состояние здания. Динамико-геофизический метод, являясь интегральным методом, позволяет оценить техническое состояние системы «грунт-здание» (см. табл.1).

Из табл.1 видно, что для детальных расчетов на трехмерных моделях с использованием локальных подходов необходим обширный набор исходных параметров: данные о кренах, осадках, армировании и характеристиках материалов. Достоверность итоговых выводов в этом случае полностью определяется точностью и всесторонностью собранных сведений. Напротив, интегральную оценку жесткости и фактического состояния системы «грунт-здание» обеспечивают динамико-геофизические испытания. Данная методика рассматривает здание как реально функционирующую конструктивную систему, предоставляя обобщенную характеристику объекта без необходимости кропотливого моделирования множества локальных факторов.

Все методы обследования можно разделить на локальные и интегральные (см. табл. 1). Наибольшее распространение получили локальные методы обследования, которые используются для сбора исходных данных о системе «грунт-здание», с помощью локальных методов оценку технического состояния можно сделать только после расчетов на трехмерных моделях. Точность расчетов будет зависеть от достоверности и количества, полученных исходных данных по нагрузкам, геометрии здания (кренам, просадкам, прогибам), сечениям конструкций (армированию), степени коррозии арматуры, физико-механическим характеристикам несущих и вспомогательных конструкций, грунтов и другим параметрам. Современные численные модели требуют значительных умений и смекалки, чтобы заложить в модели, трещины, переменное сечение конструкций, коррозию арматуры, разные типы узлов на одном конструктивном элементе. С другой стороны, строительный объект, это реально существующая конструктивная схема и задачей обследователя является правильное проведение эксперимента, чтобы получить его интегральную жесткость (табл.1). Интегральную оценку жесткости и технического состояния здания можно получить только методом динамико-геофизических испытаний. Под интегральной жесткостью понимается величина, зависящая от конструктивной схемы, геометрии и прочности здания пропорциональная квадрату частоты собственных колебаний (1):

где f — частота собственных колебаний строительного объекта;

K — коэффициент, учитывающий геометрию и конструктивную схему строительного объекта или его элемента;

EJ — жесткость строительного объекта;

m — масса строительного объекта.

Для выполнения динамических испытаний многоэтажного, многоподъездного здания, оценки его интегральной жесткости и технического состояния с применением метода динамико-геофизических испытаний производится расстановка трехкомпонентных акселерометров в каждом подъезде на нижних и верхних этажах. Применяются акселерометры с частотным диапазоном (0,1–400) Гц. С помощью преобразования Фурье производится спектральный анализ полученных ускорений по осям X, Y и Z. Выбираются основные частоты собственных колебаний. Производится сравнение полученных из испытаний частот с нормативными значениями частот. Нормативные частоты получаются расчетными численными методами или с применением эмпирических формул [1], [3], [11], [14].

2.3. Оценка технического состояния транспортерной галереи динамико-геофизическим методом

Обследуемое сооружение выполнено из двух объемов. В осях 7-11/В-Ж — здание приводной станции, в осях 7-1/Ж-Д — конвейерная транспортная галерея. Обследуемое здание приводной станции транспортной галереи представляет собой надземное сооружение, предназначенное для размещения электроприводов валков транспортера. Основные технические характеристики приводной станции представлены в табл.2.

Обследуемое здание конвейерной транспортной галереи представляет собой надземное сооружение, состоящее из опор и пролетного строения. Конструктивная схема галереи (моста) состоит из 2-х статических неопределимых ферм с затяжками в каждом пролете. Основные технические характеристики конвейерной транспортной галереи представлены в таблице 3.

План сооружения на отм. +0,000 представлен на рис. 1.

Продольный и поперечный разрезы сооружения даны на рис.2-3.

Датчики расставлялись в пролетах: 1-2-3-4-5-7-11. Схема расстановки датчиков представлена на рис.4. Кроме того, датчики дополнительно были размещены и внутри сооружения.

Динамические испытания сооружения и его конструктивных элементов с оценкой влияния динамических нагрузок и возможных скрытых дефектов на жесткость были проведены с применением мобильного диагностического комплекса «Струна» (рис.5).

В процессе динамических испытаний были измерены параметры: колебаний грунта в основании сооружения и колебаний сооружения в местах расстановки датчиков по высоте (рис. 6).

В результате испытаний были получены периоды собственных колебаний и ускорения транспортной галереи и приводной станции (табл. 6).

Получены спектры (рис.7 – рис.9) и акселерограммы колебаний сооружения (рис.10 – рис.12).

Для оценки категории технического состояния сооружения было выполнено сравнение нормативных значений частот собственных колебаний сооружения, с экспериментально полученными значениями.

Получены нормативные значения частот собственных колебаний сооружения, (табл.7).

Процент относительного снижения жесткости (квадрата частоты собственных колебаний) сооружения при его различных состояниях представлен в табл. 8.

Процент относительного снижения жесткости сооружения при его различных состояниях представлен в табл. 9.

3. Обсуждение полученных результатов

3.1. Выводы

По оси X (вдоль галереи) сооружение транспортерной галереи в пролетах 1–4 (табл. 8,9) находится в «аварийном» техническом состоянии, по осям X, Y, Z — в «ограниченно-работоспособном» техническом состоянии.

Здание приводной станции находится в «ограниченно-работоспособном» состоянии по оси X, Y, по осям X, Y, Z сооружение станции находится в «работоспособном» техническом состоянии.

Для повышения жесткости пролетов 1–5 транспортной галереи по оси X рекомендуется выполнить замену или ремонт поврежденных ребристых плит галереи.

3.2. Оценка технического состояния жилого здания после аварии и восстановления

В результате взрыва бытового газа в 6-м подъезде 9-ти этажного многоподъездного дома были повреждены несущие конструкции (рис.13–14). Здание крупнопанельное с несущими наружными стенами, поперечными и продольными перегородками и плитами перекрытий. По результатам анализа данных визуального обследования и полученным схемам дефектов было установлено, что основные повреждения произошли в 5-м и 6-м подъездах. Наибольшие повреждения получили плиты перекрытий (рис. 13–14).

Для оценки интегральной жесткости и технического состояния всего здания были выполнены динамические испытания его блоков. Результаты динамических испытаний поврежденного здания приведены в табл. 9. Результаты расчетов нормативных частот собственных колебаний приведены в табл. 8.

Дефицит интегральной жесткости поврежденного здания определялся по следующей формуле (2):

где fi — экспериментально полученные значения частот собственных колебаний здания по осям i (x,y,z);

[fi] — нормативные значения частот собственных колебаний здания (сооружения) по осям i (x,y,z), получаемые из проекта или расчетным путем;

∆fi — дефицит жесткости в % по осям i (x, y, z).

Нормативные значения частот собственных колебаний здания определялись с учетом его пространственных размеров и конструктивной схемы (табл.8).

По результатам динамических испытаний (табл.9) поврежденного здания дефицит жесткости здания в подъездах 5 и 6 по оси X составил 73,25 % (табл.10), что соответствует категории технического состояния «аварийное».

После восстановления поврежденного здания были выполнены его повторные динамические испытания. Для динамических испытаний применялся мобильный диагностический комплекс для динамико-геофизических испытаний. Восстановленное здание и его конструкции показаны на рис.15-16.

Таким образом, ремонтные работы по восстановлению поврежденных несущих конструкций привели к изменению технического состояния здания до категории «работоспособного» (табл.11).

Результаты динамико-геофизических испытаний аварийного здания и здания после его восстановления показали, что работы по усилению поврежденной части здания привели к увеличению интегральной жесткости по осям X, Y и Z. Поврежденная часть здания с «аварийного» технического состояния перешла в «работоспособное» техническое состояние.

4. Заключение

Таким образом, применение метода динамико-геофизических испытаний даёт возможность быстро оценить техническое состояние и эксплуатационную пригодность восстановленного после повреждения здания.

Для сокращения времени оценки поврежденных здания, например, в зоне повреждений от землетрясения, рекомендуется:

- разбить зону повреждений на отдельные площади, преимущественно с однотипной застройкой;

- на каждую площадь определить требуемое количество динамико-геофизических испытателей, исходя из их возможности затратить на испытание одного двухподъездного здания до 30 минут;

- полученные данные можно отправлять в центр сбора и анализа данных.

Оперативно сейсмостойкость здания А с применением данных динамико-геофизических можно рассчитать через величину предельного перемещения через следующее соотношение [11], [14]:

где — предельно допустимые величины перемещения здания, например для железобетонных равна (1/400) на высоту этажа;

— коэффициент, учитывающий особенность конструктивного решения и степень его ответственности;

k1 — коэффициент, учитывающий допустимые повреждения;

— коэффициент, учитывающий диссипативные свойства сооружения;

— коэффициент динамичности сооружения, при резонансе грунтов в основании здания и здания, в среднем, принимается равным 2;

Т — период собственных колебаний здания.

Величины коэффициентов k0, k1, kφ назначаются специалистом исходя из нормативных требований [5], [8], или принимаются равными 1.

The additional file for this article can be found as follows: