СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРИЗНАКОВ И ЛОКАЛИЗАЦИИ МЕСТА ИЗМЕНЕНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЗДАНИЙ, СООРУЖЕНИЙ Российский патент 2015 года по МПК G01M7/00 

Изобретение относится к области испытаний конструкций или сооружений на вибрацию, на ударные нагрузки, а именно - к методам и средствам диагностики технического состояния проектируемых, строящихся, реконструируемых строительных объектов, в том числе большепролетных, высотных и других уникальных зданий и сооружений.

При изготовлении строительных конструкций, строительстве объектов промышленного и гражданского назначения, обследовании зданий и сооружений, подлежащих реконструкции, производится контроль качества строительных конструкций и изделий в процессе их изготовления, а также диагностируется их состояние в процессе эксплуатации. Для контроля основных параметров качества строительных конструкций, характеризующих их прочность, жесткость и устойчивость, в настоящее время предусмотрено проведение выборочных разрушающих испытаний, которые являются неэффективными в процессе эксплуатации объекта, не обеспечивают достоверности результатов контроля, требуют разрушения большого количества изделий (Межгосударственный стандарт ГОСТ 8829-94 «Методы испытаний нагружением. Правила оценки прочности, жесткости, трещиностойкости», введенный в действие 17.07.1997). Для большепролетных, высотных и других уникальных и ответственных зданий и сооружений нормативными документами (ГОСТ P 53778-2010 «Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния» и ГОСТ 31937-2011 «Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния») предусмотрено создание автоматизированных систем мониторинга деформационного состояния несущих конструкций.

Для эффективной работы автоматизированных систем мониторинга строительных конструкций требуются пассивные методы неразрушающего контроля, которые могут быть реализованы в автоматизированном и/или автоматическом режиме и не требуют применения внешних нагрузок (ударных импульсов, вибрационных машин). Методы, в основе которых лежит применение внешних нагрузок (ударных импульсов, вибрационных машин), не могут быть использованы на стадии эксплуатации зданий, а реализация их в автоматизированном и/или автоматическом режиме экономически не обоснована.

Поэтому разработка новых пассивных методов неразрушающего контроля, интегрально характеризующих качество строительных конструкций, является весьма актуальным направлением исследований в теории сооружений и в области управления качеством строительной продукции. Среди перспективных методов неразрушающего контроля качества особое место занимают экспериментально-теоретические методы, в основу которых положены вибрационные технологии.

Известны неразрушающие методы контроля строительных конструкций, в основу которых положены вибрационные методы, в том числе методы, основанные на экспериментально полученной профессором Коробко В.И. закономерности в строительной механике, заключающейся в наличии функциональной связи между жесткостью упругих конструкций и их основной частотой колебаний. Полученная экспериментальным путем зависимость использована в охраняемом авторским свидетельством «Способе контроля жесткости на изгиб железобетонных элементов» (SU 1640595, опубл. 07.04.1991, МКИ A1 G01M 7/02), согласно которому жесткость испытуемого изделия определяется как функция величины максимального прогиба эталонного изделия, частот основного колебания эталонного и испытуемого изделий.

Недостаток известного аналога заключается в том, что в нем не решается задача определения напряженно-деформационного состояния объекта и мест локализации обуславливающих его дефектов в испытуемом объекте.

Известен способ неразрушающего контроля качества готового железобетонного изделия (RU патент №2097727, опубл. 27.11.1997, G01M 7/02), согласно которому контролируемое изделие устанавливают на опоры, преимущественно в соответствии с условиями эксплуатации, воздействуют на изделие при помощи источника возбуждения механических колебаний. Колебания изделия преобразуют с помощью приемника механических колебаний в электрический сигнал, по величине которого судят об амплитуде колебаний изделия. Изменяя частоту возбуждаемых колебаний, получают зависимость амплитуды продольных колебаний от частоты колебаний. С помощью электронного осциллографа контролируют форму механических колебаний в изделии.

По полученной амплитудно-частотной характеристике продольных колебаний контролируемого изделия определяют резонансную частоту и логарифмический декремент. После отключения источника возбуждения механических колебаний те же параметры определяют в режиме свободных затухающих колебаний изделия.

Полученные значения динамических параметров контролируемого изделия и/или изменения этих значений в зависимости от уровней энергии возбуждения продольных колебаний сравнивают со значениями соответствующих динамических параметров и/или изменениями этих значений в зависимости от уровня энергии возбуждения эталонного изделия, полученных при тех же режимных параметрах. На основании сравнения значений и/или изменений значений динамических параметров эталонного и контролируемого изделий выносят суждение о прочности, жесткости, трещиностойкости и величине преднапряжения арматуры испытуемого изделия.

Недостатки известного способа: неприменимость к контролю высотных зданий, сооружений сложной конфигурации в процессе их эксплуатации, реконструкции, невозможность локализовать дефекты контролируемой конструкции.

Известен способ контроля интегральных параметров качества железобетонных конструкций в виде плоских и ребристых балочных плит (патент RU №2162218, опубл. 20.01.2001, МПК 7 G01N 3/32, G01 L5/04), который включает установку плиты на стенде, закрепление ее на опорах, возбуждение в плите колебаний на резонансной частоте, измерение этой частоты колебаний f и логарифмического декремента затухания колебаний δ и сопоставление полученных динамических характеристик с аналогичными характеристиками эталонных плит, при этом осуществляют дополнительное нагружение плиты сосредоточенной нагрузкой P, равномерно распределенной в поперечном направлении плиты и прикладываемой последовательно в заданных сечениях пролета L.

Дополнительное нагружение сосредоточенной нагрузкой большой массы, прикладываемой в определенных частях пролета, осуществляют для уменьшения влияния дефекта неплоскостности нижней грани железобетонной плоской или ребристой плит на их динамические характеристики в режиме изгибных колебаний (за счет нагружения достигается более плотное прилегание нижней грани плиты к опорным устройствам, а для ребристой плиты - более равномерное ее опирание по угловым точкам). За счет этого снижается или исчезает вообще влияние крутильной составляющей на поперечные колебания, что дает возможность более точно определить динамические характеристики контролируемых плит и соответственно более точно оценить их параметры качества по этим динамическим характеристикам. Для каждого этапа нагружения определяют соответствующие динамические характеристики и строят графические зависимости f-lp/L и δ-lp/L, где lp - координата сечения, к которому прикладывается сосредоточенная сила P, и по величине отклонения этих кривых от эталонных судят о пригодности конструкции по контролируемым параметрам качества к эксплуатации, а по форме отклонения - о месте расположения дефекта.

Недостатки известного способа: неприменимость к высотным зданиям, сооружениям сложной конфигурации в процессе их эксплуатации, необходимость приложения сосредоточенной силы, что затрудняет использование метода в автоматизированном режиме.

Технический результат, на достижение которого направлен заявленный способ, заключается в повышении быстродействия и точности определения деформационно-напряженного состояния контролируемого объекта, возможности использования способа при построении автоматизированных систем мониторинга строительных конструкций зданий, расширении функциональных возможностей за счет возможности локализации дефекта контролируемого объекта, определения времени его возникновения, а также в расширении области применения путем распространения на высотные здания и уникальные сооружения в процессе их проектирования, эксплуатации, реконструкции, в условиях наличия как изгибных, так и крутильных колебаний.

Способ основан на анализе временных рядов колебаний (смещения, скорости, ускорения) строительных конструкций зданий, сооружений.

В основе способа лежит гипотеза о том, что при изменении напряженно-деформированного состояния конструкций изменяется энергия колебания конструкций. В этом случае, если имеется информация о параметрах колебания конструкций в различных точках здания, то изменение энергии колебания сигнализирует об изменениях напряженно-деформированного состояния в соответствующих точках.

Согласно преобразованию Фурье периодическую функцию можно представить суммой отдельных гармонических составляющих (синусоид и косинусоид с различными амплитудами A и частотами ω).

Гармонические колебания представляют собой перемещение по следующему закону:

X=A·sin(ωt+φ),

где

A - амплитуда колебания;

ω - частота колебания;

φ - фаза колебания.

Кинетическая энергия гармонических колебаний вычисляется по следующей формуле:

$$X=\frac{m{v}^2}{2}$$ ,

где

m - масса колеблющегося тела (точки)

v - скорость колеблющегося тела (точки)

Скорость гармонических колебаний есть производная от перемещения гармонических колебаний по времени:

Соответственно формула вычисления кинетической энергии колебания принимает следующий вид:

Потенциальная энергия гармонических колебаний при отклонении колеблющейся точки на расстоянии x от положения равновесия вычисляется по формуле:

F - сила, равная произведению массы на ускорение:

,

тогда потенциальная энергия принимает вид:

Полная энергия гармонических колебаний примет вид:

Таким образом, полная энергия колебания прямо пропорциональна массе, квадрату амплитуды и частоте колебания.

Известно, что значения собственных частот колебания связаны с массой и жесткостью конструкции следующей зависимостью:

,

где

m - масса;

k - жесткость.

Если зафиксировать массу конструкций как неизменяемую величину (в процессе эксплуатации здания изменения массы по сравнению с массой всего здания являются незначительными) и возникновение дефектов рассматривать как изменение жесткости, тогда изменение A²·ω² указывает на возникновение дефектов в конструкциях здания.

Расчет данных параметров может осуществляться путем регистрации ускорений (скоростей, смещений) колебаний по одной или нескольким осям X, Y, Z системы координат, связанной со зданием, с заданным временным окном (dT) в различных точках здания, расчета спектральных характеристик колебаний в каждой такой точке, вычисления энергетических параметров A²·ω² в каждой точке и по каждой оси в виде суммы квадрата произведений амплитуд на соответствующие частоты - $$S={\displaystyle {\sum }_i^n{A}_i^2\cdot {\omega }_i^2}$$ , где n - количество точек (частот) в спектре, которое определяется длиной записи колебаний dT (временного окна). Для вычисления суммарного энергетического параметра в точке осуществляется суммирование энергетических параметров по осям S=S_x+S_y+S_z.

Изменение энергетических параметров с течением времени может определяться как соотношение S_t - значение энергетического параметра в текущий момент времени t - к значению S₀ в предшествующий момент времени, относительно которого определяется изменение напряженно-деформированного состояния строительных конструкций для каждой точки измерения.

В соответствии с изложенным значение изменения энергетического параметра для момента времени t определяется по формуле:

,

где

K - изменение энергетического параметра,

S_t - значение параметра в момент времени t,

S₀ - значение параметра в предшествующий момент.

Осуществимость заявленного способа с достижением заявленного технического результата была проверена на примере высотного 40-этажного здания, проектная высота которого составляет 138 м. Конструкции здания выполнены из монолитного железобетона. Высота типового этажа составляет 3,3 м. На первом и втором этажах под всей площадью дворовой территории расположена подземная автостоянка, которая отделена деформационным швом от высотной части здания. Для поперечного сечения (плана) высотной части здания характерна перекрестно-стеновая схема несущих конструкций с расположенным в центре ядром жесткости.

Для исследования работы метода была реализована математическая модель данного здания с использованием метода конечных элементов (Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы: Пер. с англ. - М.: Мир, 1984) и проверена ее адекватность соответствующим характеристикам реального здания (см. выше). С использованием математической модели проводился динамический анализ (задавалось входное вибрационное воздействие и регистрировались колебания в заданных точках модели) и модальный анализ (рассчитывались формы колебаний по собственным частотам здания).

Адекватность математической модели была проверена путем сравнения характеристик колебаний здания, полученных по результатам экспериментальных измерений и по результатам математического моделирования.

Экспериментальные измерения проводились во время строительства здания. Первые измерения были произведены на 12, 18 и 22 этажах, когда здание было возведено высотой в 25 этажей (~83 м). По результатам первых измерений была проведена сходимость с результатами математического моделирования и показана адекватность разработанной математической модели. Вторая серия измерений была проведена, когда каркас здания был возведен уже полностью (40 этажей), и велись работы по обустройству фасадов. По результатам второй серии измерений были проверены расчетные данные (частоты и формы колебаний), полученные по результатам моделирования, показана адекватность математической модели, разработанной для построенного здания с целью проведения дальнейших расчетов по моделированию и прогнозу технического состояния объекта.

Экспериментальные спектры колебаний для недостроенного здания были получены путем записи скоростей колебаний с частотой дискретизации 0,001 секунды с использованием велосиметров. Для сравнения результатов натурных измерений с результатами математического моделирования могут использоваться различные схемы измерений: измерения могут проводиться на этажах с порядковыми номерами, где каждый последующий отличается от предыдущего на постоянную или переменную величину, измерения могут проводиться датчиками, установленными на соответствующем этаже по всем трем осям здания или по одной из его осей - с точки зрения решаемой задачи и декларируемого технического результата существенно только совпадение схемы реальных измерений со схемой, для которой строилась модель здания.

Для определения входного вибрационного воздействия была проведена экспериментальная запись скорости колебаний на уровне фундаментной плиты (-2-го этажа) строящегося здания, которая потом использовалась как входное воздействие при расчете динамических характеристик на математической модели.

Велосиграммы, полученные для экспериментальных и расчетных записей скоростей колебаний для 22, 18 и 12 этажей здания, приведены на фиг. 1. По оси абсцисс каждого из графиков на фиг. 1 отложено время в секундах, по оси ординат - скорость в м/с.

В левой колонке фиг. 1 позициями a, c и e обозначены велосиграммы, полученные для экспериментальных записей скоростей колебаний для 22, 18 и 12 этажей здания соответственно. В правой колонке фиг. 1 позициями b, d и f обозначены велосиграммы, полученные для расчетных записей скоростей колебаний для 22, 18 и 12 этажей модели здания соответственно.

В левой колонке фиг. 2 позициями a, c и e обозначены графики спектров скоростей, полученных для экспериментальных записей скоростей колебаний для 22, 18 и 12 этажей здания соответственно. В правой колонке фиг. 2 позициями b, d и f обозначены графики спектров скоростей, полученные для расчетных записей скоростей колебаний для 22, 18 и 12 этажей модели здания соответственно. По оси абсцисс каждого из графиков отложена частота в Гц, по оси ординат - амплитуда в м/с.

Из анализа экспериментальных данных и данных, полученных расчетным путем, видна хорошая сходимость результатов. Из экспериментальных и расчетных спектров видны две близкие частоты в районе 1.1-1.2 Гц. По результатам математического моделирования определены формы колебания. Первая форма колебания является крутильной на частоте 1.113 Гц, вторая форма колебания является изгибной на частоте 1.248 Гц.

Вторая серия измерений проводилась уже для построенного здания (40 этажей). Регистрация колебаний проводилась акселерометрами GeoSIG GMS-18 в подвале (-2 этаж), на 10-м, 20-м, 30-м и 40-м этажах. Результаты экспериментальных и расчетных записей ускорений (изменение значений ускорения во времени) представлены на фиг. 3. По оси абсцисс каждого из графиков на фиг. 3 отложено время в секундах, по оси ординат - ускорение в м/с².

В левой колонке фиг. 3 позициями a, c, e и g обозначены графики ускорений, полученные для экспериментальных записей ускорений колебаний для 40-ого, 30-ого, 20-ого и 10-ого этажей здания соответственно. В правой колонке фиг. 3 позициями b, d, f и h обозначены графики ускорений, полученные для расчетных записей ускорений колебаний для 40-ого, 30-ого, 20-ого и 10-ого этажей модели здания соответственно.

Результаты экспериментальных (слева) и расчетных (справа) спектров ускорений колебаний представлены на фиг. 4, где позициями a, c, e и g обозначены графики спектров ускорений, полученные для экспериментальных записей ускорений колебаний для 40-ого, 30-ого, 20-ого и 10-ого этажей здания соответственно. В правой колонке фиг.4 позициями b, d, f и h обозначены спектры ускорений, полученные для расчетных записей ускорений колебаний для 40-ого, 30-ого, 20-ого и 10-ого этажей здания соответственно.

Анализ графиков позволяет видеть, что у построенного здания также имеются две близкие по частотам формы колебания на частотах 0.5 Гц и 0.54 Гц (по результатам эксперимента) и 0.52 Гц и 0.57 Гц (по результатам математического моделирования). Разница в сотых долях Гц между экспериментальными и расчетными частотами объясняется тем, что при построении математической модели не учитывался вес фасадов здания, которые при проведении экспериментальных замеров были уже наполовину обустроены. Соответственно экспериментальные измерения показывают параметры колебаний более тяжелого здания по сравнению с тем, моделирование которого проводилось.

Приведенные результаты сравнения экспериментальных измерений с результатами математического моделирования свидетельствуют об адекватности разработанной модели.

Моделирование дефектов и проверка работы способа

Для проверки возможности выявления признаков и локализации мест изменения напряженно-деформированного состояния конструкций с использованием предлагаемого способа в модель здания вводились гипотетические дефекты.

Исходная модель здания (без дефектов) принята как модель здания, которая отражает его начальное состояние (в предшествующий момент времени).

Модель здания с дефектом принята как модель здания, которая отражает его текущее состояние (в текущий момент времени).

Для обеспечения достоверности проверки работы способа были рассмотрены 3 разные местоположения дефекта на 20-м, 22-м и 25-м этажах. Каждый вариант соответствует текущему моменту времени.

Для этого в математическую модель (последовательно для каждого варианта) вносились следующие изменения:

- Уменьшение модуля упругости бетона (марка B30) с 3.25*10¹⁰ Па до 1.8*10¹⁰ Па (что соответствует бетону марки B10) у конструкций 20-ого этажа.

- Уменьшение модуля упругости бетона (марка B30) с 3.25*10¹⁰ Па до 1.8*10¹⁰ Па (что соответствует бетону марки B10) у конструкций 22-ого этажа.

- Уменьшение модуля упругости бетона (марка B30) с 3.25*10¹⁰ Па до 1.8*10¹⁰ Па (что соответствует бетону марки B10) у стен 25-ого этажа и с понижением модуля упругости бетона (марка B40) с 3.6*10¹⁰ Па до 1.8*10¹⁰ Па (что соответствует бетону марки B10) у перекрытия 25-ого этажа.

Заявленный способ для каждого из вариантов осуществлялся следующим образом:

На вход основания каждой математической модели было задано трехкомпонентное вибрационное воздействие в виде сгенерированного нормального шума (фиг. 5).

Для начальной модели (без дефекта) и для каждой модели с дефектом были получены записи ускорений по осям X, Y, Z длиной 120 секунд (dT) для каждого этажа (от 1-ого до 40-ого).

Для начальной модели (без дефекта) на основе полученных записей ускорений для каждой точки измерения (этажа) был рассчитан спектр колебаний (зависимость амплитуды колебаний от частоты), затем для каждой точки измерения (этажа) был рассчитан энергетический параметр $$S_{0m}={\displaystyle \sum {}_i^n}{A}_{im}^2\cdot w_{im}^2$$ (где n - количество точек в спектре, m - номер точки измерения (этажа), значения m изменяются от 1 до 40).

Для каждой модели с дефектом на основе полученных записей ускорений по тому же алгоритму, что и для бездефектной модели, для каждого этажа также был рассчитан свой энергетический параметр $$S_{tm}={\displaystyle \sum {}_i^n}{A}_{im}^2\cdot w_{im}^2$$ (где n - количество точек в спектре, m - номер этажа, значения m изменяются от 1 до 40).

Таким образом, получены одномерный массив (размерностью 40) значений энергетического параметра для бездефектной модели и три одномерных массива (размерностью 40) для энергетических параметров соответствующих моделей с дефектами (Таблица 1).

Таблица 1 Номер этажа (m) Значение энергетического параметра бездефектной модели S₀ (предшествующий момент времени) Значение энергетического параметра дефектной модели S_t Модель с дефектом на 20 этаже (Текущий момент времени. Вариант 1) Модель с дефектом на 22 этаже (Текущий момент времени. Вариант 2) Модель с дефектом на 25 этаже (Текущий момент времени Вариант 3) 1 S₀₁ S_t1 S_t1 S_t1 2 S₀₂ S_t2 S_t2 S_t2 … … … … … 40 S₀₄₀ S_t40 S_t40 S_t40

Для каждого варианта дефектной модели было рассчитано изменение энергетического параметра K в соответствии со следующей зависимостью:

Для этого требуется получить интегральную энергию (по всем направлениям X, Y, Z) в текущий момент времени (S_t) для каждой точки измерения (точки от 1 до 40) и интегральную энергию (по всем направлениям X, Y, Z) в предшествующий момент времени (S₀) для каждой точки измерения (точки от 1 до 40). Далее следует операция поэлементного деления - т.е. деление параметра S, полученного для каждой точки в текущий момент времени t на значение этого же параметра для этой же точки в предшествующий момент времени. То есть S_t в точке №1 делим на S₀ в точке №1, S_t в точке №2 делим на S₀ в точке №2 и таких операций деления, с учетом того, что m изменяется от 1 до 40, соответственно должно быть 40 (по числу этажей в здании).

Блок-схема алгоритма по расчету энергетических параметров (S_0m и S_tm) и изменения энергетического параметра K приведена на фиг.6, где приняты следующие обозначения:

1. Блок регистрации ускорений колебаний по оси X модели без дефекта;

2. Блок вычисления спектра колебаний по оси X модели без дефекта;

3. Блок вычисления суммы поэлементного квадрата произведения амплитуды и частоты в соответствии со следующей зависимостью: $$S_{0mj}={\displaystyle {\sum }_i^n{A}_{im}^2\cdot w_{im}^2}$$ , где n - количество точек (частот) в спектре, j=х, m - номер точки измерения;

4. Блок регистрации ускорений колебаний по оси Y модели без дефекта;

5. Блок вычисления спектра колебаний по оси Y модели без дефекта;

6. Блок вычисления суммы поэлементного квадрата произведения амплитуды и частоты в соответствии со следующей зависимостью: $$S_{0mj}={\displaystyle {\sum }_i^n{A}_{im}^2\cdot w_{im}^2}$$ , где n - количество точек (частот) в спектре, j=y, m - номер точки измерения;

7. Блок регистрации ускорений колебаний по оси Z модели без дефекта;

8. Блок вычисления спектра колебаний по оси Z модели без дефекта;

9. Блок вычисления суммы поэлементного квадрата произведения амплитуды и частоты в соответствии со следующей зависимостью: $$S_{0mj}={\displaystyle {\sum }_i^n{A}_{im}^2\cdot w_{im}^2}$$ , где n - количество точек (частот) в спектре, j=z, m - номер точки измерения;

10. Блок формирования энергетических параметров S_0m поэлементным суммированием S_0mx, S_0my и S_0mz, где m - номер точки измерения;

11. Блок регистрации ускорений колебаний по оси X модели с дефектом;

12. Блок вычисления спектра колебаний по оси X модели с дефектом;

13. Блок вычисления суммы поэлементного квадрата произведения амплитуды и частоты для модели с дефектом в соответствии со следующей зависимостью: $$S_{tmj}={\displaystyle {\sum }_i^n{A}_{im}^2\cdot w_{im}^2}$$ , где n - количество точек (частот) в спектре, j=х, m - номер точки измерения;

14. Блок регистрации ускорений колебаний по оси Y модели с дефектом;

15. Блок вычисления спектра колебаний по оси Y модели с дефектом;

16. Блок вычисления суммы поэлементного квадрата произведения амплитуды и частоты для модели с дефектом в соответствии со следующей зависимостью: $$S_{tmj}={\displaystyle {\sum }_i^n{A}_{im}^2\cdot w_{im}^2}$$ , где n - количество точек (частот) в спектре, j=у, m - номер точки измерения;

17. Блок регистрации ускорений колебаний по оси Z модели с дефектом;

18. Блок вычисления спектра колебаний по оси Z модели с дефектом;

19. Блок вычисления суммы поэлементного квадрата произведения амплитуды и частоты для модели с дефектом в соответствии со следующей зависимостью: $$S_{tmj}={\displaystyle {\sum }_i^n{A}_{im}^2\cdot w_{im}^2}$$ , где n - количество точек (частот) в спектре, j=z, m - номер точки измерения;

20. Блок формирования энергетических параметров S_tm поэлементным суммированием параметров S_tmx, S_tmy и S_tmz, полученных соответственно в блоках 13, 16 и 19 для модели с дефектом, где m - номер точки измерения;

21. Блок вычисления изменения энергетического параметра K_m в соответствии со следующей зависимостью: $$K_m=\frac{S_{tm}}{S_{0m}}$$ .

22. Блок вычисления максимальных отклонений значений K от 1 в соответствии с заданным пороговым значением.

Работа алгоритма была проверена для трех вариантов расположения дефектов: на 20-м этаже, на 22-м этаже, на 25-м этаже. Для вычисления энергетического критерия Ktm в каждом варианте по вышеприведенному алгоритму рассчитывались энергетические параметры для каждой точки измерения Stm, значения которых делились на соответствующие энергетические параметры точек измерения S_0m модели без дефекта.

Результаты расчета критерия K по вышеприведенному алгоритму для модели с дефектом на 20-м этаже представлены на фиг. 7, с дефектом на 22-м этаже - на фиг. 8, с дефектом на 25-м этаже - на фиг. 9.

Приведенные графические материалы показывают, что в точках, где K имеет наибольшие отклонения от 1, имеют место наибольшие изменения напряженно-деформированного состояния конструкций. Соответственно по значению изменения энергетического параметра, полученного делением его значения в текущий момент времени на значение в предшествующий момент времени, можно судить как о возникновении деформационно-напряженных состояний конструкций зданий/сооружений, так и о месте, в котором такие состояния возникли.

При регистрации установленными на здании/сооружении датчиками скоростей, ускорений, линейных перемещений и т.п., параметров непрерывно или с неким дискретам, анализируя значения энергетических спектров во времени, можно получить полную картину того, когда и в каком месте здания/сооружения возникло деформационно-напряженное состояние здания/сооружения и как оно развивалось.

Выбор количества и мест точек регистрации колебаний производится из следующих соображений. С одной стороны, чем больше количество точек регистрации, тем с большей точностью можно определить место изменения напряженно-деформированного состояния конструкций. Но с другой стороны, экономические соображения, объем вычислений и т.п. ограничивают количество точек регистрации. Минимум таких точек, при котором обеспечивается необходимая точность определения деформационных напряжений, их локализации, зависит от конструкции здания, сооружения. Например, в высотных зданиях точки регистрации могут располагаться через один или несколько этажей, таким образом, можно локализовать возникновение дефектов соответственно до одного или нескольких этажей, для протяженных объектов точки регистрации могут располагаться на каждом отдельном пролете, опирающемся на опоры, таким образом, локализация будет обеспечена с точностью до пролета.

В выбранных, исходя из указанных соображений, точках здания/сооружения производится установка датчиков ускорений (скорости, смещения), необходимого регистрирующего оборудования и материалов (кабельные сети, аналого-цифровые преобразователи, коммутаторы).

На основании измеренных параметров колебаний производится расчет спектральных характеристик колебаний в каждой точке регистрации в соответствии со схемой, приведенной на фиг. 6.

Вычисляется энергетический параметр S в каждой точке по каждой оси (X, Y, Z) в виде суммы квадрата произведений амплитуд на соответствующие частоты - $$S_j={\displaystyle {\sum }_i^n{A}_i^2\cdot w_i^2}$$ , где n - количество точек (частот) в спектре, j - направление (x, y, z).

Вычисляется суммарный энергетический параметр в каждой точке S=S_x+S_y+S_z.

Вычисляется изменение критерия K с течением времени как отношение энергетических параметров S в текущий момент времени к энергетическим параметрам S в предшествующий момент времени для каждой точки регистрации - $$K=\frac{S_t}{S_o}$$ , где K - изменение энергетического параметра S_o, S_t - значение энергетического параметра в момент времени t, S_o - значение энергетического параметра в предшествующий момент.

Производится сравнение текущих значений K, полученных для каждой точки регистрации, с единичным значением. При текущих значениях K, отличающихся от единичного значения на заданное пороговое значение, выносится суждение об отсутствии в соответствующих точках регистрации напряженно-деформированных состояний контролируемого здания/сооружения. При превышении текущим значением К заданного порога и последующем непрерывном росте его значения по данным нескольких измерений подряд для одной и той же регистрационной точки делается вывод о наличии напряженно-деформированных состояний контролируемого объекта в такой точке.

Конкретная величина порогового значения K определяется для каждого здания, сооружения в зависимости от проектных решений и конструктивных особенностей, от заданной точности контроля изменения напряженно-деформированного состояния конструкций, от допустимого диапазона изменения напряженно-деформированного состояния конструкций, который задается конструкторами зданий, сооружений.

Анализ энергетического параметра S с дальнейшим расчетом критерия K по приведенной выше формуле отдельно но направлениям X, Y, Z, позволяет определить направление, по которому в точке регистрации образовалось изменение напряженно-деформированного состояния.

Изменяя предшествующий момент времени (относительного которого определяется изменение напряженно-деформированного состояния), можно определить, в какой момент времени и где произошел дефект.

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к области испытаний конструкций или сооружений на вибрацию и ударные нагрузки, а именно к методам и средствам диагностики технического состояния строительных объектов. При реализации способа строят математическую модель сооружения, устанавливают адекватность колебаний реального сооружения и его модели, определяют энергетический параметр для каждого из элементов сооружения в выбранных точках и определяют изменение энергетического параметра сооружения. При текущих значениях изменений энергетического параметра, отличающихся от единичного значения в пределах заданного порогового значения, выносится суждение об отсутствии в соответствующих точках регистрации напряженно-деформированных состояний, при превышении значением изменения энергетического параметра заданного порога с последующим непрерывным ростом значения делается вывод о наличии напряженно-деформированных состояний контролируемого объекта в такой точке. Технический результат заключается в повышении быстродействия и точности определения деформационно-напряженного состояния контролируемого объекта, возможности использования способа при построении автоматизированных систем мониторинга строительных конструкций зданий, расширении функциональных возможностей, а также в расширении области применения.

4 з.п. ф-лы, 9 ил., 1 табл.

1. Способ определения признаков и локализации места изменения напряженно-деформированного состояния зданий, сооружений, включающий построение математической модели здания, сооружения, установление адекватности построенной модели реальному зданию, сооружению путем сравнения значений параметров колебаний реального здания, сооружения и его модели, для одних и тех же точек, определение для каждого этажа математической модели здания, пролета сооружения энергетического параметра S как функции произведений квадратов амплитуд А и частот ω спектра колебаний по каждой из осей, связанных со зданием, сооружением, определение энергетического параметра в точке суммированием его составляющих, полученных для каждой оси, определение изменения К энергетического параметра здания, сооружения из следующей зависимости
, где
K - изменение энергетического параметра,
S_t - значение энергетического параметра в момент времени t,
S_o - значение энергетического параметра в предшествующий момент,
сравнение значения K с единичным значением и для значений K, отличающихся от единичного значения на величину, не превышающую заданное пороговое значение, вынесение суждения об отсутствии в соответствующих точках регистрации напряженно-деформированных состояний контролируемых здания, сооружения, при превышении текущим значением K заданного порога и последующем непрерывном росте его значения по данным нескольких измерений подряд для одной и той же регистрационной точки, выносится суждение о наличии напряженно-деформированных состояний контролируемого объекта в такой точке.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что амплитуды и частоты колебаний определяют на основе смещения, скорости или ускорения колебаний.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что перемещения, скорости или ускорения колебаний измеряют в точках, которые в высотных зданиях располагают через один или несколько этажей, а в протяженных сооружениях - на каждом отдельном пролете, опирающемся на опоры.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что локализацию направления, в котором происходит изменение напряженно-деформированного состояния здания, сооружения, определяют путем сравнения значения энергетического параметра S в текущий момент времени по выбранному направлению X, Y или Z со значением того же параметра по тому же направлению, определенному для той же точки регистрации для предшествующего момента времени.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что для определения развития напряженно-деформированного состояния здания, сооружения во времени в качестве предшествующих моментов времени выбирают несколько моментов времени, отделяющих текущий момент времени от момента времени, на который у здания, сооружения отсутствовали напряженно-деформированные состояния в точке или направлении, для которых определяется изменение напряженно-деформированного состояния во времени, и для каждого из них определяют изменение энергетического параметра K.