Способ определения физического состояния зданий и сооружений Российский патент 2023 года по МПК G01M7/00 

Изобретение относится к области геофизических методов испытания конструкций с целью проведения неразрушающего контроля физического состояния зданий и инженерных сооружений.

За время эксплуатации все здания и инженерные сооружения подвергаются постоянному воздействию различных разрушающих природных и техногенных факторов Эти факторы включают сезонные перепады температур, периодическое замерзание и оттаивание грунтов, вибрации от работы промышленного оборудования и т.д. Вследствие такого воздействия в несущих конструкциях со временем возникают различные дефекты, без своевременного устранения которых сооружения могут стать непригодными для эксплуатации и даже обрушиться. Для выявления возникающих дефектов необходимо проводить регулярный контроль состояния зданий и инженерных сооружений.

Известные способы такого контроля включают, например, визуальный осмотр, сейсмоакустические методы, злектротомографию, геокриологический мониторинг и др. Однако, несмотря на высокую точность таких работ, они часто проводятся уже после того, как возникшие дефекты несущих конструкций начинают представлять угрозу для пользователей инженерного сооружения и служат для локализации дефектного участка.

Известны также технологии постоянного мониторинга несущих конструкций и технического состояния инженерных сооружений в режиме реального времени, главным образом основанные на регистрации смешений, деформаций и нагрузок датчиками, расположенными в различных местах инженерного сооружения, и экспертном анализе этих данных В частности, такая технология описана в патенте РФ №2683360 (МПК G01M 7/00, опубликован 28.03.2019). Однако такие методы являются крайне дорогостоящими и подразумевают установку датчиков на этапе строительства. Это не позволяет использовать их на объектах, уже введенных в эксплуатацию. Кроме того, они не учитывают различные посторонние (паразитные) естественные и техногенные шумы, что снижает точность интерпретации полученных данных.

Известны также способы контроля физического состояния объектов, в которых используют датчики, устанавливаемые на обследуемом объекте, уже находящемся в эксплуатации. При этом регистрируют колебания объекта и сравнивают полученные данные с проектными для выявления возможных дефектов. Например, подобные методы раскрыты в патентах РФ № 2163009 (МПК G01M 7/02. опубликован 10.02.2001). №2365896 (МПК G01M 19/00. опубликован 27.08.2009) Эти методы также не учитывают различные естественные и

анализируют полученные данные чтобы установить изменения свойств подстилающего грунта и дефекты в конструкции объекта. Подобные методы описаны в патентах РФ № 2141635 (МПК G01M 7/00, опубликован 20.11.1999), №2245531 (МПК G01M 7/00, опубликован 27.01.2005), № 2614189 (МПК G01M 7/02, опубликован 23.03.2017). Общим недостатком этих методов является необходимость использования источника вибрации. Это повышает стоимость метода и не позволяет использовать эти методы для обследования зданий, находящихся в эксплуатации. Также сложно определить локализацию дефектов в конструкции, так как данные в большой степени зависят от места расположения и мощности источника вибраций.

В качестве ближайшего аналога выбран способ определения физического состояния зданий и сооружений, раскрытый в патенте РФ №2140625 (МПК G01M 7/00, опубликован 27.10.1999). В известном способе регистрируют колебания объекта под воздействием микросейсмического фона естественного и техногенного происхождения трехкомпонентными вибродатчиками, определяют частоты и формы собственных колебаний объекта в целом, его блоков и отдельных элементов конструкции, вычисляют амплитудные спектры и на основании полученных данных устанавливают наличие изменений свойств подстилающего грунта и дефектов в конструкции объекта, возникающих в процессе эксплуатации, а также определяют физическое состояние объекта и оценивают безопасность дальнейшей его эксплуатации. Так же, как и в других подобных решениях, в известном способе не учитывают наличие посторонних периодических колебаний, которые могут проявляться паразитными пиками на полученных спектрах. Например, такие паразитные колебания регистрируются при измерениях рядом с действующими ЛЭП, работающими компрессорными и насосными станциями и прочими источниками периодических колебаний. Кроме того, выявление полезного сигнала из записи колебаний требует длительного периода записи, что требует больших компьютерных мощностей для их обработки.

В отличии от ближайшего аналога в заявленном способе из полученных записей колебаний вычитают паразитные колебания, что позволяет исключить различные внешние наводки при построении карты амплитудно-частотного распределения на обследуемом объекте. Кроме того, при вычислении амплитудных спектров собственных колебаний обследуемого объекта полученные записи разбивают на фрагменты и складывают их между собой, что позволяет выделить стоячие волны.

Задача изобретения состоит в создании способа определения состояния объектов, в частности, зданий и инженерных сооружений, на основе выделения стоячих волн, который не требует дополнительных источников вибрации, установки аппаратуры на этапе строительства объекта, позволяет периодически или разово обследовать конструкции объекта для выявления их дефектов.

Технический результат заявленного изобретения проявляется в повышении точности локализации выявленных дефектов и снижении ресурсоемкости работ по определению физического состояния объекта. В отличии от известных способов определения состояния объектов, заявленное техническое решение позволяет достоверно обнаруживать возникающие дефекты в конструкции при использовании малого количества регистрирующей аппаратуры и вычислительных мощностей. Заявленный способ может быть применен к любым инженерным объектам и не требует установки регистрирующего оборудования на этапе строительства.

Поставленная задача решается и заявленный технический результат достигается тем, что в способе определения физического состояния объекта, который включает запись колебаний обследуемого объекта с помощью пары датчиков, один из которых является опорным, нормирование уровня колебаний, полученных с датчиков и вычисление амплитудных спектров собственных колебаний обследуемого объекта, на основе которых строят карту амплитудно-частотного распределения и определяют физическое состояние объекта, дополнительно записывают паразитные колебания вблизи обследуемого объекта и вычитают их из полученных записей колебаний объекта при вычислении амплитудных спектров, и устанавливают наличие стоячих волн, для чего разбивают полученные записи на фрагменты и складывают их амплитудные спектры между собой. Дополнительно к карте амплитудно-частотного распределения строят карту отношения скоростей продольных волн к поперечным, для чего вычисляют скорости продольных и поперечных волн. Изменение физического состояния объекта регистрируют, устанавливая стационарный датчик для записи стоячих волн, при отклонении частот собственных колебаний объекта более, чем на 0,1%.

В целях описания настоящего изобретения под определением физического состояния объекта понимают обследование конструкций объекта с целью установить наличие дефектов, которые могут привести к снижению их несущей способности и/или разрушению.

Колебания обследуемого объекта записывают с помощью пары датчиков, один из которых является опорным, а второй перемещают по обследуемому объекту. В качестве датчика могут использовать различные приборы для регистрации колебаний, в частности, геофон, велосиметр, акселерометр и другие. При этом под опорным датчиком понимают датчик, положение которого остается неизменным в процессе измерений. Следует отметить, что запись колебаний могут выполнять не одной, а несколькими парами датчиков, а также группами датчиков, в которых каждому опорному датчику соответствует один или более перемещаемых датчиков.

Опорный датчик или группа опорных датчиков служит для нормировки уровней записи колебаний подвижной группы датчиков, убирая различия, вызванные уровнем внешних шумов. Записи с опорного датчика позволяют привести записи остальных датчиков к единому уровню сигнала в опорной точке, что аналогично одновременной регистрации амплитуд колебаний во всех точках измерений на объекте.

Частоту дискретизации при записи колебаний определяют опытным путём в зависимости от типа сооружения, его размера, материала стен и перекрытий. Как правило, используют частоту дискретизации в диапазоне от 250 до 1000 Гц, чем меньше размер сооружения, тем выше частота дискретизации. Время регистрации, как правило, устанавливают от 3 до 15 мин. Более короткий период записи не позволяет построить достоверную карту амплитудно-частотного распределения, а при более длинном периоде записи нагрузка на вычислительные средства возрастает непропорционально полезной информации. Оптимальный период записи устанавливают опытным путём по изменениям амплитудного спектра записываемых колебаний. Когда он перестает меняться с дополнительным накоплением времени, время записи устанавливают как достаточное.

Для того, чтобы получить амплитудные спектры собственных колебаний обследуемого объекта, важно исключить из записей посторонние периодические колебания. Такие паразитные колебания связаны с внешними источниками, например, при измерениях рядом с действующими ЛЭП, работающими компрессорными и насосными станциями и прочими источниками периодических колебаний. Они будут являться когерентными при суммировании амплитудных спектров колебаний и могут проявляться паразитными пиками на полученных, суммированных, спектрах. Учесть такие наводки при обработке записей возможно при помощи их вычитания из основного сигнала. Для этого до, после или одновременно с проведением измерений на объекте записывают паразитные колебания. Регистрирующий датчик подвешивают в воздухе или устанавливают в грунте рядом с обследуемым объектом на время, достаточное для выделения наводок. Важно расположить регистрирующий датчик таким образом, чтобы запись паразитных колебаний не содержала собственных колебаний обследуемого объекта. Так при обследовании какого-либо здания нельзя устанавливать датчик для записи паразитных колебаний на конструкцию этого здания, поскольку в этом случае будут записываться собственные частоты сооружения. Возможна также запись паразитных колебаний путём перемещения регистрирующего датчика во время измерений, так как в этом случае не накапливается собственная частота от сооружения. Паразитные колебания вычитают из полученных записей колебаний объекта (не учитывают в дальнейшей обработке данных) при вычислении амплитудных спектров собственных колебаний обследуемого объекта. Например, если по трём компонентам (X,Y,Z) обнаруживают частоты, которые совпадают, то их вырезают из обработки данных, в частности, запись колебаний вблизи ЛЭП (линия электропередач), даёт на всех трёх компонентах частоту в 50Гц, которая не является собственной частотой сооружения.

Для того, чтобы определить физическое состояние обследуемого объекта, по полученным записям колебаний строят карту амплитудно-частотного распределения. Для этого разбивают полученные записи колебаний на фрагменты, получают амплитудный спектр фрагмента записи с помощью преобразования Фурье, а затем складывают их для выделения стоячих волн из полученных записей колебаний объекта. Размер фрагментов по количеству отсчётов, входящих в один фрагмент, влияет на качество получаемых данных. Больший размер фрагмента даёт более точный результат, однако увеличение его размера напрямую влияет на производительность вычислений. Оптимальный размер фрагмента записи - 8192 отсчёта, что позволяет обрабатывать длительные фрагменты, записанные с высокой частотой дискретизации, сохраняя необходимую высокую точность выделения собственных частот обследуемого объекта. Полученные для каждого фрагмента амплитудные спектры складывают, что приводит к суммированию когерентных пиков, соответствующих собственным частотам обследуемого объекта и их усилению, в то время как не когерентные шумы остаются на прежнем уровне или ослабевают. Количество суммируемых фрагментов также влияет на точность выделения стоячих волн. Большее количество суммируемых блоков даёт более точный результат, но снижает производительность вычислений. Количество суммируемых фрагментов зависит от частоты дискретизации. Чем ниже частота, тем большее количество фрагментов требуется для выделения стоячих волн. Оптимальное количество суммируемых фрагментов определяют опытным путём после вычисления частоты дискретизации, оптимальной для обследуемого объекта. При меньшем количестве высока вероятность не выделить некоторые стоячие волны, при большем существенно возрастает нагрузка на вычислительные средства. По полученным в каждой точке наблюдений данным при профильной или площадной съемке строят карты амплитудно-частотного распределения стоячих волн, которые позволяют определить фактическое физическое состояние обследуемого объекта.

При сложении амплитудных спектров выделяют стоячие волны, затем строят карты частотно-амплитудного распределения, например, методом триангуляции с линейной интерполяцией. На полученных картах наличие дефекта определяют по локальным повышениям амплитудных характеристик, а также появлением дополнительных частотных пиков на амплитудном спектре.

Полученные данные об участках локализации дефектов могут быть уточнены построением карты отношения скоростей продольных волн к поперечным. Высокие значения такого отношения на определенных участках свидетельствуют об их обводненности поскольку обводненность существенно понижает скорости поперечных волн.

Способ может быть дополнен контролем за динамическим изменением физического состояния объекта. Для этого на участках с выявленным напряженно-деформированным состоянием устанавливают стационарный датчик, регистрирующий колебания объекта. При отклонении частот собственных колебаний объекта более, чем на 0,1% фиксируют деформацию конструкции объекта.

Заявленное изобретение поясняется с помощью фигур.

На фиг.1 представлен пример получаемых записей колебаний обследуемого объекта.

На фиг. 2 отражено влияние размера фрагмента на точность выделения стоячих волн из записи колебаний.

На фиг. 3 показано влияние количества суммируемых фрагментов на выделение стоячих волн.

На фиг. 4 представлен пример карты амплитудно-частотного распределения колебаний обследуемого объекта, построенной согласно заявленному способу.

На фиг.5 представлен пример карты амплитудно-частотного распределения колебаний обследуемого объекта без вычитания паразитных колебаний.

На фиг. 6 представлен пример карты распределения отношения скоростей продольных волн к поперечным.

На фиг. 7 представлена фотография обводненной части несущей конструкции здания, на участке, соответствующем повышенным отношениям с фиг.6.

На фиг. 8 представлен фрагмент записи колебаний, на котором присутствуют изменения собственных частот объекта.

Далее поясняется осуществление заявленного способа со ссылкой на фигуры. Следует при этом понимать, что конкретные варианты осуществления, изложенные в настоящем описании, не могут быть истолкованы как ограничивающие и приведены лишь в качестве наглядного примера для понимания специалистом в данной области техники возможного осуществления раскрытой сущности технического решения.

Колебания обследуемого объекта записывают с помощью пары датчиков, один из которых является опорным, а второй перемещают по обследуемому объекту. Пример получаемых записей колебаний обследуемого объекта представлен на фиг. 1. Для получения карты амплитудно-частотного распределения колебаний обследуемого объекта на фиг. 4 использовали группы датчиков, одна из которых выступала в качестве опорной, датчики которой были неподвижно закреплены в ходе обследования, а датчики второй группы перемещали по объекту. Всего было проведена 41 запись комплексом регистрации сейсмических данных, состоящий из геофонов GS-20DX и цифрового регистратора Texan (Ref Tek-125 A). Зелеными точками на фиг. 4 указаны точки, в которых проводили запись колебаний с частотой дискретизации 500 Гц.

Одновременно с записью собственных колебаний объекта проводили запись паразитных шумов с помощью датчика, установленного на грунте около обследуемого объекта. Длительность и частота дискретизации записи паразитных колебаний совпадала с записью колебаний объекта. При вычислении амплитудных спектров вычитали паразитные колебания из полученных записей колебаний объекта, используя для вычисления такое количество фрагментов, как и для собственных колебаний.

Для выделения стоячих волн из полученных записей их разбивали на фрагменты, размер которых составлял 8192 отсчёта. Это позволило обрабатывать длительные фрагменты, записанные с высокой частотой дискретизации, сохраняя необходимую высокую точность выделения собственных частот исследуемого объекта. Влияние размера фрагмента на точность выделения стоячих волн из записи колебаний представлено на фиг.2.

Для каждого из фрагментов получили амплитудный спектр колебаний с помощью преобразования Фурье. Полученные для каждого фрагмента амплитудные спектры сложили между собой, когерентные пики, соответствующие собственным частотам обследуемого объекта, при этом суммировались и усилились, а не когерентные шумы остались на прежнем уровне или ослабевали. Для построения карты на фиг. 4 было выполнено суммирование 12 фрагментов. Влияние количества суммируемых фрагментов на выделение стоячих волн представлено на фиг.3.

По полученным в каждой точке записям была построена карта амплитудно-частотного распределения стоячих волн, представленная на фиг. 4. Зоны повышения амплитуд на карте указывают на наличие и местоположение дефектов конструкции здания. При необходимости более детального определения дефектного участка необходимо провести повторную съемку с большим количеством точек регистрации в пределах аномальных зон.

Точно локализировать участки, в которых наблюдается напряженно-деформированное состояние, связанное с дефектами в конструкции объекта, позволило применяемое шумоподавление. Карта амплитудно-частотного распределения без вычитания паразитных колебаний представлена на фиг. 5. Наглядно видно, что выделить истинные дефектные участки невозможно, поскольку они скрыты влиянием паразитного высокоамплитудного шума.

Дополнительно повысить точность выделения дефектных участков позволяет конечно-разностное математическое моделирование собственных колебаний конструкции здания. В результате моделирования получают карту распределения собственных колебаний объекта, аналогичную представленным на фиг. 4 и фиг. 5. Распределение колебаний на такой карте соответствует проектным. Путем её сравнения с экспериментально полученной картой также возможно установить наличие аномальных зон путем визуального определения местоположения разно-амплитудных участков.

Полученные данные об участках, на которых выявлено напряженно-деформированное состояние, могут быть уточнены построением карты отношения скоростей продольных волн к поперечным. Высокие значения такого отношения на определенных участках свидетельствуют об обводненности этих участков поскольку обводненность существенно понижает скорости поперечных волн. На фиг. 6 представлена карта распределения отношения скоростей продольных волн к поперечным, построенная по результатам анализа записей колебаний объекта.

Результат, представленный на фиг. 6 дополняет результат, представленный на фиг. 4. Видно, что аномальная зона, расположенная в левой части здания, полностью соответствует такой же аномальной зоне на фиг. 4. В то время как аномальная зона в правой части здания смещена и отвечает зоне обводнения из которой вода поднимается в область “выше” по плану здания, в зону аномалии с фиг. 4. Таким образом результат, представленный на фиг. 6, поясняет результат, представленный на фиг. 4, наглядно свидетельствуя о том, что дефекты в здании возникли в результате воздействия воды.

Этот вывод был подтвержден визуальным контролем состояния здания. На фиг. 7 представлена фотография обводненной части несущей конструкции здания на участке, соответствующем повышенным отношениям с фиг. 6. На фото видно, что угловая часть стены потемнела из-за постоянного воздействия воды.

Способ может быть дополнен мониторингом состояния конструкций объекта. Такой мониторинг позволяет выявить динамическое изменение физического состояния объекта. Для этого на участках с выявленным напряженно-деформированным состоянием устанавливают стационарный датчик, регистрирующий колебания объекта. Длительный период записи колебаний таким датчиком позволяет выделять стоячие волны в виде амплитудно-частотных спектров.

Любое изменение в конструкции объекта вызывает изменение его собственных частот. Регистрация этих изменений позволяет в режиме реального времени отслеживать физическое состояние объекта и деформации, которые могут быть связаны с дефектами в его конструкции. Из практического опыта обследований инженерных сооружений известно, что если изменение собственных частот происходит более, чем на 0.1% от исходных, то это свидетельствует о том, что сооружение испытало деформации. Изменение меньшее, чем на 0.1%, может быть вызвано другими явлениями, например, резким изменением температурных условий. На фиг. 8 красной рамкой выделено зафиксированное смещение частот собственных колебаний объекта, которое свидетельствует об изменениях в его конструкции, возможном возникновении дефектов.

Изобретение может включать мониторинговый комплекс, который автоматически обрабатывает получаемые данные и отправляет оповещение о возможных деформациях сооружения.

Мониторинговый комплекс записывает и обрабатывает три низших моды по трем взаимноортогональным компонентам (X,Y,Z). В случае если одна из мод претерпевает изменения, регистрируют сигнал о деформации конструкции. Также при совместном анализе всех трех компонент записей колебаний возможно определить направление, откуда пришел сигнал, свидетельствующий о изменениях в конструкции объекта, методом триангуляции.

Устанавливать такие датчики необходимо в соответствии со СНиП II-7-81 различно для разных типов зданий. Для здания коробчатого типа устанавливают один датчик в центре сооружения, для здания столбчатого типа - два датчика, один у основания, один у вершины, для стенового типа - 4 датчика, два у основания по бокам сооружения, два у вершины по бокам сооружения.

Для более детальной оценки местоположение и количество датчиков может быть скорректировано в сторону увеличения их количества и смещения точки установки ближе к предполагаемым дефектным зонам.

Изобретение относится к области геофизических методов испытания конструкций с целью проведения неразрушающего контроля физического состояния зданий и инженерных сооружений. В способе определения физического состояния объекта, который включает запись колебаний обследуемого объекта с помощью пары датчиков, один из которых является опорным, нормирование уровня колебаний, полученных с датчиков и вычисление амплитудных спектров собственных колебаний обследуемого объекта, на основе которых строят карту амплитудно-частотного распределения и определяют физическое состояние объекта, дополнительно записывают паразитные колебания вблизи обследуемого объекта и вычитают их из полученных записей колебаний объекта при вычислении амплитудных спектров, и устанавливают наличие стоячих волн, для чего разбивают полученные записи на фрагменты и складывают их между собой. Дополнительно к карте амплитудно-частотного распределения строят карту отношения скоростей продольных волн к поперечным, для чего вычисляют скорости продольных и поперечных волн. Изменение физического состояния объекта регистрируют, устанавливая стационарный датчик для записи стоячих волн, при отклонении частот собственных колебаний объекта более чем на 0,1%. Технический результат заявленного изобретения проявляется в повышении точности локализации выявленных дефектов и снижении ресурсоемкости. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ определения физического состояния зданий и сооружений, включающий следующие этапы:

а) записывают колебания обследуемого объекта, используя пару датчиков, один из которых является опорным;

б) нормируют уровень колебаний, полученных с датчиков;

в) вычисляют амплитудные спектры собственных колебаний обследуемого объекта, на основе которых строят карту амплитудно-частотного распределения на обследуемом объекте, и

г) определяют по карте амплитудно-частотного распределения физическое состояние объекта,

отличающийся тем, что

д) дополнительно записывают паразитные колебания вблизи обследуемого объекта;

е) при вычислении амплитудных спектров собственных колебаний обследуемого объекта вычитают паразитные колебания из полученных записей колебаний объекта;

ж) при вычислении амплитудных спектров собственных колебаний обследуемого объекта устанавливают наличие стоячих волн, для чего разбивают полученные записи на фрагменты, их амплитудные спектры складывают между собой;

з) вычисляют скорости продольных и поперечных волн и дополнительно к карте амплитудно-частотного распределения строят карту отношения скоростей продольных волн к поперечным для выявления участков обводненности.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на участках с выявленным напряженно-деформированным состоянием устанавливают стационарный датчик, регистрирующий колебания объекта, и определяют изменение физического состояния объекта при отклонении частот собственных колебаний объекта более чем на 0,1%.