СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ КОНСТРУКЦИЙ И ОСНОВАНИЙ ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ Российский патент 2009 года по МПК G01M19/00 

Изобретение относится к области строительства и предназначено для инструментального обследования конструкций и оснований зданий или инженерных сооружений для определения их физического состояния в процессе строительства или эксплуатации.

Известен из патента Российской федерации №2254426, кл.⁷ E04G 23/00, 2004 способ определения изменений напряженно-деформированного состояния конструкций здания или сооружения, основанный на разделении сооружения на зоны высотой 3-5 этажей с установкой в каждой зоне стационарных сейсмометрических датчиков и регистрации тестовых ударов, по которым вычисляют передаточные функции, характеризующие конструктивную целостность зоны, повторяют наблюдения через определенные промежутки времени и по изменениям параметров передаточной функции в разные моменты времени выявляют изменения напряженно-деформированного состояния конструкций здания или сооружения.

Основным недостатком этого способа является невозможность производства непрерывного контроля за состоянием конструкций, что может привести к пропуску начальной стадии процесса изменений напряженно-деформированного состояния конструкций. Другим важным недостатком является исключение из рассмотрения состояния грунтов основания здания, которые являются важным фактором, определяющим напряжения в конструкциях. Все это снижает надежность способа.

Известен также из патента Российской федерации №2146810, кл.⁷ G01M 5/00, 2000 способ дистанционного контроля и диагностики состояния конструкции инженерного сооружения, включающий регистрацию на пунктах контроля сигналов, поступающих с блоков измерения, установленных в местах диагностирования, сравнение значений этих сигналов с заранее зафиксированными значениями, и по отклонениям поступивших сигналов от заранее зафиксированных судят о наличии изменений контролируемых параметров.

Недостатком этого способа является высокая погрешность при оценке изменений величины контролируемых параметров, возникающих из-за отсутствия информации о "нулевом" состоянии конструкций сооружений, так как за заранее зафиксированное значение выходных сигналов блоков измерения принимается значение, которое в реальном элементе конструкции сооружения может не оказаться.

Наиболее близким к предложенному способу является известный из патента Российской федерации №2247958, кл.⁷ G01M 5/00, 2003 способ дистанционного контроля и диагностики состояния конструкций и оснований преимущественно инженерных сооружений, включающий регистрацию на пункте контроля поступающих с датчиков значений, сравнение последних с предварительно зафиксированными значениями и по отклонению поступивших значений устанавливают наличие и характер изменений контролируемых параметров.

Недостатком способа является то, что датчики устанавливают в элемент конструкции, который предварительно диагностируют, а данные используют в качестве заранее зафиксированных сигналов для последующего сравнения, после чего элемент конструкции с датчиком помещают в тело сооружения, при этом возможны ошибки как при недостаточно качественном соединении с телом при монтаже, так и при помещении сборки в зону объекта, характеризующуюся малой чувствительностью к изменениям напряженного состояния. Другим недостатком способа является исключение из рассмотрения фунтов основания, что обуславливает возможность ошибочного принятия изменений в грунтах, приводящих к изменению напряжений в конструкциях инженерного сооружения, за изменения в самих элементах конструкций.

Задачами предлагаемого изобретения является увеличение точности измеряемых параметров, повышение чувствительности и надежности предлагаемого способа и обеспечение непрерывности процессов измерений.

Указанные задачи достигаются тем, что в способе дистанционного контроля и диагностики состояния конструкций и оснований преимущественно инженерных сооружений, включающем регистрацию на пункте контроля поступающих с датчиков значений, сравнение последних с предварительно зафиксированными значениями и по отклонению поступивших значений устанавливают наличие и характер изменений контролируемых параметров, дополнительно диагностируют состояние грунтов оснований вышеупомянутых сооружений, используя для этого набор метрологически аттестованных датчиков для измерений: осадки в скважинах оснований, давления на грунт под фундаментными конструкциями, напряжений в фундаментных конструкциях, стенах и колоннах подземных этажей, стенах и пилонах первых надземных этажей, собственных частот упомянутых сооружений, при этом в качестве предварительно зафиксированных значений используют расчетные значения {Ψ_i}: осадки грунтов оснований, нагрузок на грунт, напряжений в конструкциях и собственных частот колебаний упомянутых сооружений, причем в процессе диагностики их состояния сопоставляют значения {φ_i}, поступающие с вышеуказанного набора датчиков, точки размещения которых назначают в зонах оснований и конструкциях упомянутых сооружений, характеризующихся значениями, равными <Ψ_i>, большими или меньшими, чем значения <Ψ_i>±δΨ_i, где <Ψ_i> и δΨ₁ - медианное значение и стандартное отклонение соответственно, вычисленных с использованием статистического анализа полей расчетных значений в узлах сетки по методике конечных элементов при проектировании упомянутых сооружений, при этом датчики устанавливают в грунты оснований и в конструкции в процессе возведения упомянутых сооружений, а дистанционный контроль осуществляют путем сбора с датчиков значений в единую цифровую базу данных центрального пульта.

Технический эффект от использования заявленного способа заключается в том, что предлагаемое в нем дополнение набора используемых датчиков и зон измерений осуществляют как датчиками, монтируемыми в скважинах в грунтах основания инженерного сооружения, под его фундаментной конструкцией, в конструкциях подземной части и первых надземных этажей, так и сейсмометрами, перемещаемыми по инженерному сооружению в процессе его возведения и/или при наладке системы или устанавливаемых стационарно после завершения его сооружения, и включением получаемых с этих дополнительных датчиков и сейсмометров данных в общую базу данных и в совокупность анализируемых величин, что позволяет повысить точность измерений, а размещение датчиков, исходя из результатов расчетов осадок и напряжений с учетом конструктивных особенностей контролируемого инженерного сооружения, в сочетании с комплексным анализом разных физических величин с датчиков, увеличивает надежность и чувствительность способа, причем предложенная стационарная установка основных датчиков и подключение их к единому центральному пульту обеспечивает возможность вести измерения непрерывно, что обеспечивает оперативность действий по контролю и диагностике состояния конструкций и оснований инженерного сооружения.

Предложенный способ поясняется следующими чертежами, где на фиг.1 приведено распределение (гистограмма) величин осадки (Z) под фундаментной плитой высотного инженерного сооружения, вертикальными линиями показана полоса <Z>±δZ; на фиг.2, 3 и 4 - план фундаментной конструкции высотного здания с местоположением зон, определяющих расстановку датчиков, величины Ψ_i=Z фиг.1 вертикальных и горизонтальных нагрузок по координатам Z, X, Y соответственно Rz (фиг.2), Nx и Ny (фиг.3), показаны - штриховкой - зоны значений: меньших <Ψ>-δΨ для Z, Rz, Nx (1), Ny (5), больших <Ψ>+δΨ для Z, Rz, Nx (2), Ny (4), равных <Ψ> для Z (3), значками - кружки - скважины измерения осадок, ромбы - датчики давления на грунт, кресты - тензодатчики по координатам X, Y; на фиг.5 - спектры мощности колебаний, записанные акселерометром (Y компонента) в три момента времени - 04.04.07, 20.09.07 и 25.12.07; на фиг.6 - поля напряжений Rz в фундаментной плите при измерениях 13.11.06; на фиг.7 - поля напряжений Rz в фундаментной плите при измерениях 06.06.07; на фиг.8 и на фиг.9 - результаты измерений в различные моменты времени в процессе возведения инженерного сооружения (высотного здания) параметров: изменения значений напряжений ΔRz, давления на грунт ΔР и собственной частоты колебаний f.

КОНКРЕТНЫЕ ПРИМЕРЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Пример 1. Иллюстрирует принцип размещения датчиков двух основных типов - в грунтах и в конструкциях для системы мониторинга высотного инженерного сооружения (высотного здания) в г.Москве. Оценка статистики дает следующие значения: медиана <Ψ>=<Z>=-139 мм; стандартное отклонение δΨ=δZ=5,8 мм; показана полоса <Ψ>±δΨ=<Z>±δZ. Были выбраны значения осадок: «малые» Z≤(-139-5,8)=-144,8 мм и «большие» Z≥(-139+5,8)=133,2 мм. Затем из всей совокупности узлов конечно-элементной расчетной системы были выбраны узлы, в которых получены соответствующие значения Z. Исходя из конфигурации зон принимают следующее размещение скважин измерения осадок - минимальное количество по одной в каждый тип зон с большими, малыми и медианными значениями осадок. Конкретное местоположение скважин в зоне определяется архитектурным решением исходя из того, что оголовки скважин выходят над отметкой верха фундаментной плиты и не должны мешать функционированию помещений, например, при размещении там гаража, выход скважин должен попадать в колесоотбой. В данном примере удалось расположить скважины вдоль прямой, тем самым получен своеобразный профиль осадок. Аналогично величине Z для расчетных величин, характеризующих напряженно-деформированное состояние фундаментной плиты, вертикальных и горизонтальных нагрузок Rz, Nx, Ny строились гистограммы и были получены зоны малых и больших значений, показанные на фиг.2, 3 и 4. Принцип размещения тот же, но количество датчиков больше - для давления на грунт минимально по 2 на каждый тип зон, для тензодатчиков - по три точки с парами в направлениях X, Y. Исходными (заранее зафиксированными значениями) в способе являются расчетные значения Ψ_i в точках установки датчиков.

Пример 2. Иллюстрирует применение способа для дистанционного контроля и диагностики состояния конструкций и основания инженерного сооружения (высотного здания) в Москве в процессе строительства. Для иллюстрации выбраны не все измеряемые величины, а только три - напряжения в фундаментной плите Rz, давление на грунт под плитой P и параметры колебаний, измеряемые акселерометром на 7 эт. Расстановка датчиков осуществлена аналогично примеру 1. На фиг.5 приведены спектры мощности колебаний, записанные акселерометром (Y компонента) в три момента времени - 04.04.07, 20.09.07 и 25.12.07. Видны пики в спектрах, соответствующие разным модам собственных частот колебания зданий. Возведение здания приводит к уменьшению значений собственных частот, что и видно на рис.5, где отражены ситуации возведения на высоту 9, 16 и 22 этажей соответственно. Значения основных собственных частот на компонентах X, Y приведены на фиг.9. На фиг.6 и 7 показаны планы фундаментной плиты с полями вертикальных нагрузок Rz для измерений соответственно 13.11.06 и 06.06.07. Видно, что нагрузка растет, причем наиболее быстро под высотной частью. Аналогично ведут себя поля давлений на грунт P. На этих данных проиллюстрируем применение способа диагностики состояния путем сопоставления величин разных типов в пункте сбора данных. Для наглядности за исходные данные (зафиксированными значения) приняты значения, полученные при первом измерении после установки датчиков, от них отсчитываются изменения значений давления (ΔР) и напряжений (ΔRz). Процедура слежения за показаниями с каждого датчика заменена для наглядности на расчет среднего и стандартного отклонения для наборов значений со всех датчиков при каждом акте измерения. На фиг.8 приведены величины средних значений для измерений за период длительностью около года. Видно, что нагрузка растет, что соответствует производству строительных работ, причем можно даже следить за графиком работ. Давление на грунт сначала увеличивается, а затем падает и только к концу периода начинает опять возрастать. Формально это противоречит ходу кривой ΔRz. Тем не менее, отмеченное явление связано с отпором грунта после отрывки котлована, отпор начинает уравновешиваться только в конце анализируемого периода при возрастании нагрузки. Таким образом, разный ход кривых отображает по-разному один и тот же процесс изменения нагрузки на грунт при строительстве. Рост сооружения в высоту подтверждает спад собственных частот на фиг.9. Таким образом, все типы измерений позволяют надежно вести дистанционный контроль и диагностику состояния конструкций и грунтов основания высотного здания.

Использование: для дистанционного контроля и диагностики состояния конструкций и оснований. Сущность заключается в том, что осуществляют регистрацию на пункте контроля поступающих с датчиков значений, сравнивают последние с предварительно зафиксированными значениями и по отклонению поступивших значений устанавливают наличие и характер изменений контролируемых параметров, при этом дополнительно диагностируют состояние грунтов оснований вышеупомянутых сооружений, используя для этого набор метрологически аттестованных датчиков для измерений: осадки в скважинах оснований, давления на грунт под фундаментными конструкциями, напряжений в фундаментных конструкциях, стенах и колоннах подземных этажей, стенах и пилонах первых надземных этажей, собственных частот упомянутых сооружений. Технический результат: увеличение точности измеряемых параметров, повышение чувствительности и надежности контроля и диагностики состояния конструкций и оснований, а также обеспечение непрерывности процессов измерений. 9 ил.

Способ дистанционного контроля и диагностики состояния конструкций и оснований преимущественно инженерных сооружений, включающий регистрацию на пункте контроля поступающих с датчиков значений, сравнение последних с предварительно зафиксированными значениями и по отклонению поступивших значений устанавливают наличие и характер изменений контролируемых параметров, отличающийся тем, что дополнительно диагностируют состояние грунтов оснований вышеупомянутых сооружений, используя для этого набор метрологически аттестованных датчиков для измерений: осадки в скважинах оснований, давления на грунт под фундаментными конструкциями, напряжений в фундаментных конструкциях, стенах и колоннах подземных этажей, стенах и пилонах первых надземных этажей, собственных частот упомянутых сооружений, при этом в качестве предварительно зафиксированных значений используют расчетные значения {ψ_i}: осадки грунтов оснований, нагрузок на грунт, напряжений в конструкциях и собственных частот колебаний упомянутых сооружений, причем в процессе диагностики их состояния сопоставляют значения {φ_i}, поступающие с вышеуказанного набора датчиков, точки размещения которых назначают в зонах оснований и конструкциях упомянутых сооружений, характеризующихся значениями, равными <Ψ_i>, большими или меньшими, чем значения <Ψ_i>±δΨ_I, где <Ψ_i> и δΨ_i - медианное значение и стандартное отклонение соответственно, вычисленных с использованием статистического анализа полей расчетных значений в узлах сетки по методике конечных элементов при проектировании упомянутых сооружений, при этом датчики устанавливают в грунты оснований и в конструкции в процессе возведения упомянутых сооружений, а дистанционный контроль осуществляют путем сбора с датчиков значений в единую цифровую базу данных центрального пульта.