Рецензент

СибАДИканд. техн. наук, доц. О.В. Демиденко (СибАДИ)

амосудов, Павел Алексеевич.

17 стема мон тор нга технического состояния строительных конструкций уникальных здан й сооружений [Электронный ресурс] : методические указания к курсовому проекту / П.А.Самосудов. – (Серия внутривузовских методических указаний Си-

бАДИ). – Электрон. дан. – Омск : Си АДИ, 2019. – URL: http://bek.sibadi.org/cgi-bin/ irbis64r plus/cgiirbis 64 ft.exe. - Режим доступа: для авторизованных пользователей.

Содержат метод ку мониторинга зданий и сооружений для выполнения курсового проекта по д сц пл не «Мониторинг зданий и сооружений». Обучающиеся получают базовые понятия о системе мониторинга.

Имеют интерактивное оглавление в виде закладок.

Рекомендованы о учающимся по специальности «Строительство уникальных зданий и сооружений» специализации «Строительство высотных и большепролетных зданий и сооружений» и направлению подготовки 08.04.01 строительство магистерской программы «Теория и проектирование зданий и сооружений».

Подготовлены на кафедре «Строительные конструкции».

Текстовое (символьное) издание (2 МБ)

Системные требования: Intel, 3,4 GHz; 150 Мб; Windows XP/Vista/7; DVD-ROM; 1 Гб свободного места на жестком диске; программа для чтения pdf-файлов:

Adobe Acrobat Reader; Foxit Reader

Техническая подготовка В. . Черкашина

Издание первое. Дата подписания к использованию 21.03.2019 Издательско-полиграфический комплекс СибАДИ. 644080, г. Омск, пр. Мира, 5

РИО ИПК СибАДИ. 644080, г. Омск, ул. 2-я Поселковая, 1 © ФГБОУ ВО «СибАДИ», 2019

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Диагностические показатели - наиболее значимые для оценки безопасности и диагностики состояния зданий и сооружений контролируемые показатели, позволяющие дать оценку безопасности и состояния зданий и сооружений, или отдельных их элементов [5].

СибАДИКонтролируемые показатели - измеренные на сооружении с помощью технических средств или вычисленные на основе измерений количественные характеристики, а также качественные характеристики состояния СКЗиС [5].

Монитор нг стро тельных конструкций - система наблюдений и контроля,

производ мых регулярно от начала строительства до снятия с эксплуатации, по определенной программе для оценки состояния строительных конструкций и сооружений в целом, анал за происходящих в них процессов и своевременного выявления зменен я функц ональной способности [5].

труктур рованная с стема мониторинга и управления инженерными системами здан й сооружений (СМИС) - построенная на базе программно - техническ х средств с стема, предназначенная для осуществления мониторинга технолог ческ х процессов и процессов обеспечения функционирования оборудования непосредственно на потенциально - опасных объектах, в зданиях и сооружениях и передачи информации об их состоянии по каналам связи в дежур- но-диспетчерские служ ы этих о ъектов для последующей обработки с целью оценки, предупреждения и ликвидации последствий дестабилизирующих факторов в реальном времени, а также для передачи информации о прогнозе и факте возникновения ЧС, в т.ч. вызванных террористическими актами, в ЕДДС [7].

Статическая система мониторинга строительных конструкций - система мониторинга, построенная на базе программно-технических средств, предназначенная для оценки напряженно-деформированного состояния строительных конструкций при действии постоянных кратковременных нагрузок во времени.

Динамическая система мониторинга строительных конструкций - система мониторинга, построенная на базе программно-технических средств, предназначенная для оценки напряженно-деформированного состояния строительных конструкций при действии динамических нагрузок во времени.

3

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

СКЗиС – строительные конструкции, здания и сооружения. УБД – системы управления базой данных.

ЖБК – железобетонные конструкции. ИУ – измерительные устройства.

КИА – контрольно - измерительная аппаратура. СибАДИНД – нормативная документация.

МИС – структур рованная система мониторинга управления инженерными системами здан й сооружений.

М – с стема мон тор нга.

П М – подс стема статического мониторинга. ПДМ – подс стема д намического мониторинга. МЗ – маш нный зал.

НДС – напряженно-деформированное состояние.

4

1. ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА УНИКАЛЬНЫХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

В настоящее время мониторинг строительных конструкций, зданий и сооружений ( КЗиС) , выполняется в соответствии с рядом нормативных документов [1, 2, 3, 4, 5].

1 июля 2010 года вступил в силу Федеральный закон от 30 декабря 2009 года СибАДИN 384-ФЗ "Технический регламент о безопасности зданий и сооружений" [6]. Од-

ной из целей данного Федерального закона является защита жизни и здоровья граждан, мущества ф зических или юридических лиц, государственного или муниц пального мущества. Согласно статьи 15 п. 9 и статьи 18 п. 5 в проектной документац в целях обеспечения безопасности зданий и сооружений должны быть предусмотрены мероприятия по мониторингу компонентов окружающей среды, состоян я основания, строительных конструкций и систем инженернотехнического обеспечен я в процессе эксплуатации здания или сооружения.

Одновременно, при разра отке проектных решений необходимо учитывать требован я ГОСТ Р 22.1.12-2005 [7]. Этот ГОСТ является обязательным к испол-

нению в соответств с Распоряжением Правительства Российской Федерации от

21 июня 2010 года за № 1047-р.

Так м образом, при разра отке проектных решений, в части мониторинга строительных конструкций, нео ходимо руководствоваться требования Федерального Закона, постановлений правительства РФ и ведомственных нормативных

документов.

Одной из полезных задач, которые может решать система мониторинга, это увеличение межремонтных сроков на основе постоянного инструментального наблюдения за СКЗиС. Ремонт назначается не по графику, а на основе оценки технического состояния строительных конструкций используя контрольные показатели в виде собственных частот колебаний, прогиба, осадки, наклона и предела прочности материала, которые находятся с использованием автоматически рабо-

тающих измерительных устройств.

В последние годы наметилась тенденция более широкого использования автоматизированных систем мониторинга технического состояния конструкций (СМ). В подавляющем большинстве случаев СМ применяются при оценке техни-

ческого состояния космической авиационной техники, подводных лодок и над-

водных кораблей и в существенно меньшем объеме при строительстве и последующей эксплуатации зданий сооружений. В ГОСТ Р 22.1.12-2005 /6/ эти системы мониторинга классифицированы как структурированные системы мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений (СМ С).

5

2. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ДОЛГОВРЕМЕННОГО ПОСТОЯННОГО МОНИТОРИНГА

Система мониторинга должна обеспечивать передачу данных с контролируемых конструкций без их визуального осмотра. Данные измерений с датчиков могут передаваться пользователю различным путем, например, по радиочастоте в 850 - 2500 Гц или по проводам или оптоволокну в цифровом виде. В первом случае используются беспроводные системы мониторинга, а во втором - проводные.

СибАДИВ беспроводной системе мониторинга несколько датчиков объединяют в сенсорный узел, который имеет свой автономный источник питания (2,5-6 В) и может самостоятельно передавать сигналы на расстояние, как правило, не более 100 м. Поэтому на объекте устанавливается центральное устройство, которое собирает с разл чных сенсорных узлов информацию и хранит ее в базе данных для анализа. Эти данные спользуются для оценки текущего состояния конструкций, а в случае наступлен я кр тической ситуации выдается сигнал тревоги. Центральное устройство выполняет также кали ровку датчиков и обеспечивает перепрограммирован е сенсорных узлов, сохраняя в целом систему гибкой. Центральное устройство включает компьютер с постоянным источником питания и соответствующие программы.

При спользовании проводной системы мониторинга датчики подключаются к модулям, которые прео разовывают аналоговые сигналы с датчиков в цифровой вид и передают далее по проводам на центральный сервер. Применяемая веерная архитектура («втулка-спица») проводной системы мониторинга конструкций включает удаленные датчики, связанные проводами с центральной системой сбора данных компьютером.

Достоинством беспроводной системы мониторинга является их быстрая установка на конструкции зданий или сооружения, так как не требуется монтаж проводов. Основным недостатком подобных систем мониторинга является необходимость регулярной замены источников питания батарей или аккумуляторов. Как правило, продолжительность работы источника питания не превышает нескольких месяцев. В последнее время начали применяться специальные алгоритмы, для снижения электропотребления, но эта проблема пока удовлетворительно не решена. Поэтому заменять батареи питания сенсорного узла, находящегося, например, в центре пролета металлической фермы, на большой высоте, достаточно проблематично. Вторым недостатком беспроводных систем является возможность потери части информации при ее передаче по радиочастоте из-за влияния помех в окружающей среде. Дальность передачи информации известных коммерческих систем (Microstrain.Inc., Crosbow Inc.) не превышает 30 - 70 м, что также ограничивает применение данных систем.

Как было отмечено ранее, основной проблемой при использовании беспроводной системы СМ является периодическая подзарядка или замена источников питания. В некоторых случаях, например, на большепролетных спортивных и промышленных сооружениях или сооружениях в виде мачт, башен или опор линий электропередачи добраться до сенсорного узла и заменить источник питания достаточно сложно и трудоемко. Применение солнечных батарей лишь частично решает данную проблему.

6

В проводных системах СМ этой проблемы нет, так как питание сенсорных узлов осуществляется от внутренней электрической сети здания с напряжением в 220 В, путем преобразования его в постоянный ток с напряжением до 12 В. Однако в этом случае приходится включать в стоимость проекта затраты на устройство силовой сети питания сенсорных узлов и затраты на устройство слаботочной сети, по которой будет передаваться информация с сенсорных узлов на центральный сервер.

Анализ недостатков использования беспроводной передачи данных достаточно полно изложен в статье: Lynch P.J. A Summary Review of Wireless Sensors and Sensor Networks for Structural Health Monitoring. Jerome P. Lynch and Kenneth J. Loh. The Shock and Vibration Digest, Vol. 38, No. 2, March 2006 91-128.Структура монито-

СибАДИ• нформац онной системы. Состав, схема Конфигур рование

ринга здан й сооружен й

труктура мон тор нга рекомендована в РД 0624-2015 «Мониторинг

строительных конструкц й » и должна иметь следующий состав:

• с стемы д агностики параметров и наблюдений за состоянием строи-

тельных конструкций;

• методов оценки технического состояния строительных конструкций;

• моделей прогнозирования технического состояния строительных конст-

рукц й оценки их срока службы;

расположения

змерение

Рис. 1. Схема взаимодействия элементов системы мониторинга строительных конструкций на объекте

7

Согласно РД 0624-2015, регламентирующие динамический мониторинг строительных конструкций.

Динамический мониторинг входит в состав инструментальных исследований технического состояния строительных конструкций.

Основные задачи динамического мониторинга:

измерение колебаний в диапазоне частот от 0,5 до 100 Гц, возбуждаемых источниками техногенного и природного происхождения;

определение динамических характеристик строительных конструкций;

СибАДИбаний в настоящий проект включена программа SCAD Office, которая позволяет определять динамические характеристики от действия окружающей среды. Программа позволяет решать следующие задачи:

контроль изменения (стабильности) динамических характеристик во времени. В проекте работ по д намическому мониторингу целесообразно предоставлять:

- схему размещен я датчиков колебаний; - техн ческ е характеристики измерительной и регистрирующей аппаратуры;

- программы компьютерной обработки записей колебаний.

При выборе точек измерения и типа датчиков следует учитывать характер источн ка колебан й, нтенсивность и длительность колебаний, продолжительность измерен й, погрешность измерений, в том числе за счёт помех природного и техногенного про схождения. Рекомендуется одновременная трехкомпонентная

регистрац я колебан й в каждой точке измерения.

Рекомендует определять следующие динамические характеристики строитель-

ных конструкц й:

- собственные частоты (определяются по спектрам или амплитудно частотным характеристикам); - формы собственных коле аний, соответствующие выявленным

собственным частотам (определяются путём фазового анализа записей колебаний в точках измерения);

определение графическое представление амплитудно-частотных спектров;

• определение собственных частот;

• определение и графическое представление форм собственных колебаний;

• расчёт параметров затухания собственных колебаний; В состав проекта по динамическому мониторингу включены следующие раз-

делы:

•краткое описание объекта мониторинга и условий его размещения с указанием задач динамического мониторинга (раздел , пояснительной записки);

•схему размещения точек измерения колебаний (рабочие чертежи проекта);

•технические характеристики измерительной и регистрирующей аппаратуры

(раздел «Руководство по монтажу»).

8

Сопоставление текущего и предыдущих определений динамических характеристик может быть выполнено после ввода СМ в эксплуатацию в течение первого года ее работы.

В качестве контролируемых динамических показателей в настоящем проекте приняты: собственные частоты колебаний, формы собственных колебаний, параметры затухания собственных колебаний. Измерение амплитуд колебаний выполняется с использованием сейсмографов и трехкоординатных акселерометров ком-

пании например REF TEK. Частота опроса Измерение колебаний возможно в диапазоне частот от долей герца до 500 Гц.

СибАДИмеханизмов; - многофункциональная кабельная система;

огласно п. 4.6 ГОСТ Р 22.1.12-2005должны обеспечивать:

- прогноз рован е предупреждение аварийных ситуаций путем контроля за параметрами процессов обеспечения функционирования объектов и определения

отклонен й х текущ х значений от нормативных;

- непрерывность сбора, передачи и обработки информации о значениях пара-

диспетчерскую служ у;

- автоматизированный или принудительный запуск системы оповещения населения о произошедшей чрезвычайной ситуации и необходимых действиях по

эвакуации;

- автоматизированное или принудительное оповещение соответствующих спе-

циалистов, отвечающих за безопасность объектов;

- автоматизированный или принудительный запуск систем предупреждения или ликвидации ЧС по определенным алгоритмам для конкретного объекта и кон-

- сеть передачи информации; - автоматизированная система диспетчерского управления инженерными сис-

темами объектов; - административные ресурсы.

9

Фактически в ГОСТ Р 22.1.12-2005 впервые были сформулированы требования к системам мониторинга не только технологических систем и оборудования, но и строительных конструкций зданий и сооружений. В декабре 2009 года был принят ФЗ РФ № 384, в котором уже вводится как обязательные действия включение в проектную документацию мероприятий по мониторингу состояния оснований и строительных конструкций как в процессе их строительства, так и эксплуатации.

СибАДИМИС устанавливаются для контроля технического состояния конструкций зданий и сооружений при воздействии на них окружающей среды и нагрузок (статическая, сейсм ческая и ветровая) и включают набор датчиков (температуры, деформац , прог ба, наклона, ускорения колебаний, влажности, коррозии). Датчики, в последнее время, уже в цифровом виде через интерфейс передают информацию в компьютер. Компьютер, являющийся центральной частью СМИС, используется для анал за данных измерений, выявления и определения места поврежден й в элементах строительных конструкций /8,9,10/.

истема мон тор нга предназначена работать непрерывно длительный период времени от нескольк х месяцев до нескольких лет. Поэтому более широко применяются проводные олее редко еспроводные системы мониторинга.

В отл ч е от планового осмотра здания, выполняемого специалистами, два раза в год СМИС позволяет проводить инструментальный контроль непрерывно с заданным интервалом времени в течение, как этапа строительства, так и периода последующей эксплуатации зданий сооружений.

Исходя из отмеченных тре ований нормативных документов в настоящем проекте реализована система мониторинга, которая включает две подсистемы:

• подсистема статического мониторинга ;

• подсистема динамического мониторинга .

10