МОНИТОРИНГ

Короткие сведения о мониторинге

Обеспечение безопасности инженерных сооружений в процессе их строительства и эксплуатации является крайне актуальной задачей в российской экономике. В настоящее время происходит рост строительства промышленных сооружений, особенно объектов энергетики, высотных зданий и зданий со сложной строительной конструкцией, сверхдлинных мостов и тоннелей, крупных спортивных сооружений. В Российской экономике также наблюдается большая степень износа многих ранее построенных инженерных объектов. Более того, в рамках реализации стратегии модернизации российской экономики президент и правительство России уделяют повышенное внимание вопросам обеспечения безопасности стратегически важных и потенциально опасных инженерных объектов, а также развитию инфраструктуры. Необходимость проведения деформационного мониторинга, в первую очередь, возникает:

• на стратегически важных и потенциально опасных объектах (гидротехнические сооружения, атомные электростанций);
• на объектах горнодобывающей, нефтяной и газовой промышленности;
• на высотных зданиях и сооружениях с уникальной и сложной строительной конструкцией;
• на объектах транспортной инфраструктуры (мосты, туннели, сложные транспортные развязки);
• на объектах массового скопления людей (дворцы спорта, стадионы, большие концертные залы и другие).

Деформационный мониторинг включает в себя наблюдение за вертикальными (осадками) и горизонтальными (крены, сдвиги) смещениями зданий и сооружений. Наблюдение за горизонтальными смещениями проводится в основном на участках с нестабильными геологическими условиями с использованием высокотехнологичных роботизированных станций. Деформационный мониторинг вертикальных смещений – наиболее распространенный геодезический контроль.

Вертикальные смещения наиболее информативно и точно показывают степень деформации сооружения. По осадочным маркам, установленным на здании, осуществляется геометрическое нивелирование в несколько циклов. Разность показаний между циклами дает представление о характере деформации и ее динамике. Показатели вертикального смещения и визуальное наблюдение за фасадом здания циклично отражаются в техническом отчете, что дает точные сведения об изменениях несущих конструкций, позволяет прогнозировать дальнейшие разрушения и сводить к минимуму негативные воздействия.

Если несвоевременное принять меры по наблюдению за деформацией, то это может повлечь за собой серьезные последствия, такие как, частичное или полное разрушение здания, и дальнейшую дорогостоящую реконструкцию. Деформационный мониторинг проводится определенное количество раз, через заданный период времени, что называется циклом. Деформационный мониторинг проводится по заранее установленным деформационным маркам, Комплексное наблюдение включает в себя такие виды работ как наземное лазерное сканирование, высокоточное тахеометрические наблюдения и при необходимости выполнения высокоточного нивелирования.
Цель деформационного мониторинга – получение критических величин вертикальных и горизонтальных перемещений, и кренов, и время, за которое произошли данные перемещения. Эта информация позволит провести полноценный анализ ситуации, понять направление и скорость деформации, прогнозировать дальнейшую деформацию.
Основаниями к проведению геодезического мониторинга являются:

• строительство и эксплуатация высотных и уникальных объектов, энергетических, транспортных и других сооружений, памятников архитектуры и градостроительства;
• Возведение зданий и сооружений в условиях плотной геодезической застройки;
• Прокладка инженерных сетей и коммуникаций;
• Изменения геологического или гидрологического режима;
• Влияние сейсмической деятельности.
Основными этапами при производстве геодезического мониторинга являются:
• Разработка и согласование технического задания.
• Обследование технического состояния объектов мониторинга
• Разработка программы проведения мониторинга
• Выполнение наблюдений. Обработка данных, подготовка промежуточных отчетных материалов
• Разработка рекомендаций по проведению соответствующих мероприятий для предотвращений критических деформаций
• Завершение наблюдений, подготовка заключительного отчета.
При выполнении геодезического мониторинга зданий и сооружений выполняется комплекс геодезических работ, целью которого является контролирование следующих параметров:
• Отклонения зданий и сооружений от вертикали и перемещение несущих конструкций.
• Отклонение несущих конструкций от вертикали;
• Смещение одних частей здания относительно других;
• Осадка и подъем здания или сооружения относительно грунта;
• Раскрытие трещин, стыков на поверхности несущих конструкций, расхождение несущих конструкций;
• Поперечные и продольные напряжения в стальных, железобетонных и монолитно-бетонных конструкциях;
• Нагрузки на опорные конструкции здания или сооружения со стороны перекрытия. Снеговая нагрузка;
• Величина давления группы фундамент-грунт.

Мониторинг как инструмент безопасности технически сложных, уникальных и высотных объектов

Масштабное строительство в крупных городах нашей страны сопровождается постоянным ростом сложности возводимых объектов и условий, в которых осуществляется их строительство. Современные тенденции – увеличение этажности зданий, уплотнение городской застройки, стесненность строительных площадок, освоение подземного пространства, насыщение инженерными коммуникациями – неизбежно порождают новые задачи, обусловленные как необходимостью обеспечения безопасности и надежности строящихся сооружений, так и снижения негативного техногенного воздействия на существующие постройки и инфраструктуру, которые расположены в зоне влияния строительства.
В связи с этим особое значение приобретают проблема контроля технического состояния несущих конструкций с целью предупреждения возникновения аварийных ситуаций и обоснованность выбора комплекса инженерных мероприятий по их недопущению. При этом очевидно, что наблюдение за техническим состоянием несущего остова зданий и сооружений должно носить систематический характер и позволять осуществлять оценку происходящих изменений на основе количественных критериев, т.е. базироваться на процедурах выявления соответствия фактической прочности, жесткости и устойчивости конструктивных элементов нормативным требованиям.
Значительную часть нового строительства составляют технически сложные, уникальные объекты с высокой степенью ответственности – высотные здания, сооружения с большепролетными конструкциями, связанные в основном с массовым пребыванием в них людей.
Для зданий и сооружений, подверженных риску повреждений от внешних факторов, контроль технического состояния несущих конструкций, а также грамотный анализ данных и принятие корректирующих мероприятий обязательны в течение всего периода возможного проявления деформационного воздействия, что нашло свое отражение в ряде нормативных документов.
Актуальность данной темы определяется необходимостью создания обоснованной методики объективной оценки технического состояния конструктивных элементов, испытывающих внешние деформационные воздействия, которая позволила бы с высокой достоверностью прогнозировать и предупреждать возникновение и развитие аварийных ситуаций. На сегодняшний день, надо признать, единой методики, рекомендованной нормами и позволяющей эффективно противодействовать вероятной опасности, не существует.
Пристальное внимание к защите здания или сооружения от обрушения предопределено, с одной стороны, увеличением частоты проявления аномальных факторов (природного и/или техногенного характера) и необходимостью поиска и разработки мероприятий, компенсирующих риски их воздействия. С другой – созданием и развитием новых конструктивных систем зданий, поведение которых в реальных условиях изучено не полностью или не изучено совсем. Следует отметить, что в процессе традиционного проектирования, базирующегося на полувероятностных методах расчетов, применение системы частных коэффициентов безопасности позволяет создавать некоторые нормируемые резервы (запасы) прочности и деформативности конструктивной системы и изначально дает возможность зданию в определенной мере противостоять появлению и развитию аварийных ситуаций.
Деформационные воздействия на конструкции высотных зданий, обусловленные изменением состояния и свойств материалов и основания, носят в основном длительный характер. Сегодня наиболее эффективным способом прогнозирования и предупреждения аварийных ситуаций является мониторинг их технического состояния, который ведется в постоянном режиме на стадиях строительства и эксплуатации зданий. Подобная процедура стала необходимостью совсем недавно – с введением в действие ряда нормативных документов [1, 2]. Однако нормативная база, регламентирующая методы проведения мониторинга строительных объектов, а также трактовка полученных результатов проработаны сегодня недостаточно. Поэтому на первый план выходит необходимость создания эффективной методики оценки технического состояния несущих конструкций на основе данных мониторинга НДС. В данном случае основой мониторинга становится инженерное обследование технического состояния конструкций объекта, осуществляемое квалифицированными специалистами. В ходе его объективно выявляются происходящие в конструкциях изменения за счет визуального и инструментального контроля на подготовительном этапе мониторинга. Нормативное техническое состояние конструкций объекта в значительной степени определяется неизменностью и стабильностью их геометрических параметров (пространственное положение, пролеты, прогибы, перемещения). Контроль деформаций объекта традиционно осуществляется путем определения развития в основном вертикальных осадок по контуру самого объекта в уровне основания с помощью геометрического нивелирования. При этом очевидно, что учет только вертикальных осадок в уровне основания не отражает реальной картины пространственной деформации всего объекта и изменения НДС его конструкций. Ошибки могут быть особенно велики при значительных габаритах и большой этажности сооружений, когда невозможен доступ к необходимому количеству точек для геометрического нивелирования в нужном объеме.
При сложном пространственном очертании объекта неравномерные деформации основания, вызывая пространственные деформации всего здания, сопровождаются повреждениями элементов его несущих конструкций по всему объему. В подобных случаях полностью выявить характер деформирования основания инструментально практически невозможно, так же как и численно оценить его влияние на НДС несущих конструкций. В этой ситуации непосредственный контроль пространственных деформаций позволит напрямую оценивать в ходе мониторинга изменение НДС конструктивных элементов сооружения.
Таким образом, при неравномерных деформациях основания объекта главными параметрами, которые должны контролироваться в ходе мониторинга, являются пространственные деформации сооружения – взаимные перемещения массива его характерных точек в нескольких уровнях по высоте и периметру объекта, которые он испытывает в результате деформационного воздействия со стороны основания и внешних факторов. Наиболее эффективный способ решения данной проблемы – пространственно-координатный мониторинг положения характерных точек объекта с помощью современной аппаратуры, способной обеспечить необходимую точность и скорость измерений.
По результатам мониторинга, помимо визуально-нормативной оценки технического состояния конструкций, должен производиться численный анализ их НДС на основании проверочных расчетов с уточненными данными, полученными при обследовании сооружения. Сегодня проектирование и расчет строительных конструкций, как правило, осуществляются численными методами с помощью специализированных вычислительных комплексов, алгоритмы которых в подавляющем большинстве основаны на методе конечных элементов (МКЭ). Данная технология в настоящий момент – основной инженерный инструмент автоматизированного математического анализа НДС строительных конструкций от любого вида внешних воздействий.
В связи с этим важнейшей проблемой безопасной эксплуатации высоток является контроль НДС несущих конструкций. Однако в уже построенном и эксплуатируемом здании доступ к большей части несущих конструкций существенно ограничен, и это затрудняет контроль их состояния с помощью традиционных методов визуального и инструментального обследования. Кроме того, в отличие от здания меньшей этажности, в котором деформирование несущих конструкций связано в основном с неравномерностью просадок различных его частей, в высотном существенное влияние на НДС несущих конструкций оказывают ветровые нагрузки, создающие значительную рассеянность мест накопления деформационных повреждений в этих конструкциях.
Для высотных и большепролетных объектов возникает необходимость предварительного выявления (ранней диагностики) изменений НДС конструкций и локализации мест такого изменения с использованием других методов, не связанных с прямым доступом к несущим конструкциям и не требующих существенных финансовых и трудовых затрат для реализации.
На передний план выдвигается методология системной организации контроля технического состояния несущих конструкций на основе автоматизированного мониторинга изменения их НДС с целью своевременного определения степени конструктивной безопасности уникального объекта – т.е. способности конструкций объекта противостоять его переходу в аварийное состояние. Она определяется:

• проектным решением и степенью его реального воплощения при строительстве;
• текущим остаточным ресурсом и техническим состоянием объекта во время эксплуатации;
• степенью изменения объекта (перестройка, перепланировка, пристройка, реконструкция, капитальный ремонт и т.п.), а также специфическими условиями его эксплуатации, связанными с высокой механической нагруженностью (статической, усталостной, вибрационной) от технологического и пр. оборудования;
• изменениями условий окружающей среды под воздействием рисков природного, техногенного характера, а также влияний, обусловленных антропогенным (человеческим) фактором.

МОНИТОРИНГ