В последние годы во многих городах России, особенно в Москве, началось широкомасштабное строительство высотных зданий. Самое главное требование к строящимся высотным зданиям – безопасность. Каким бы удобным и внешне привлекательным не было бы здание, прежде всего должно выполняться основное условие – возможность комфортно и безопасно в нем находиться. Незамеченная вовремя его деформация может привести к появлению трещин и последующему обрушению.
Таких примеров достаточно много. Отметим, что для города характерна сложная геологическая среда, которая насыщена подземными коммуникациями. Возникает вопрос – насколько стабильны недавно построенные здания? Ответить на него можно только с помощью длительных непрерывных автоматизированных наблюдений. Современный инструментальный мониторинг конструкций и оснований зданий опирается в основном на четыре типа методик: геодезические измерения; инженерно-геологические наблюдения; измерения нагрузок и деформаций в конструкциях фундамента и надземной части; сейсмометрические методики. Данные методики могут применяться как отдельно, так и в виде системы. Комплексирование всех типов мониторинга позволяет связать между собой полученные данные и иметь наиболее полную картину динамики движения здания.
Для наблюдений за состоянием грунтового массива в основании и в окрестностях здания существуют датчики разной разрешающей способности и информативности. В зависимости от выбора датчиков можно вести мониторинг дифференциальных (послойных) или суммарных осадок грунтов основания, уровня воды, порового давления в породах (параметра, используемого в расчетах за рубежом).
Применение инклинометрических систем для контроля горизонтальных смещений грунта.Для определения осадок грунтов применяют скважинные магнитные экстензометры, автоматические фиксированные экстензометры для определения суммарных осадок и система мониторинга дифференциальной осадки DSM для автоматического и непрерывного долговременного контроля послойной осадки зданий. Горизонтальные перемещения грунтов можно контролировать спутниковыми методами. Деформационные марки в виде GPS-приемников закрепляются на поверхности грунта или на торцевом конце анкера, который закладывают на интересующую исследователя глубину. Альтернативный вариант контроля горизонтальных перемещений грунтов – инструментальные скважинные наблюдения при помощи переносных инклинометрических зондов или автоматических инклино-метрических систем. Уровень воды в скважинах и поровое давление контролируются пьезометрами.
При размещении под фундаментной плитой сети датчиков давления на грунт определяют давление на грунт в основании сооружения и его распределение по площади основания. Для контроля динамики развития напряжений используют тензометрические датчики разных типов. Они могут устанавливаться на арматуру или на специальных подвесах внутри арматурного каркаса непосредственно перед заливкой бетона; используются также специальные установочные блоки-наконечники, привариваемые к конструкции при помощи аппарата точечной сварки или закрепляемые эпоксидной смолой.
Применение тензометров для мониторинга строительных конструкций.Геодезические измерения позволяют определять перемещение объекта в пространстве, в том числе измерять осадки и крены. Получаемые данные соответствуют состоянию на момент измерений. Измерения выполняют с помощью цифровых нивелиров (Leica DNA, Leica SPRINTER) или лазерных сканеров. Точность измерений лазерных сканеров лежит в диапазоне от 1 до 10 мм на расстояниях до 1000 м, при этом число измерений в секунду может достигать 100 тыс. точек.
Применяют также приемники ГНСС, например Leica GMX902 и Leica GMX901. Точность приемников ГНСС зависит от различных факторов, включая число отслеживаемых спутников, геометрию засечки, продолжительность наблюдений, точность эфемерид, ионосферные возмущения, влияние помех отраженного сигнала и разрешение неоднозначности.
Нивелир Leica DNA03Вблизи объекта строительства на крышах зданий и сооружений устанавливают как минимум две постоянно действующие базовые станции. Антенну базовой станции помещают на отдельно стоящий железобетонный пилон или на стальную трубу диаметром не менее 10 см. Они должны иметь устройство (винты) для принудительного крепления антенны. При удалении от базовой станции точность определяемых координат ухудшается пропорционально расстоянию. Для измерений в режиме реального времени (RTK) удаление от базовой станции должно быть не более 25–30 км, рекомендуемое удаление – не более 10 км.
Однако работа кранов и большое число окружающих конструкций над антеннами спутниковых приемников являются причинами искажений, пропадания сигнала, а также возникновения фазовых искажений и переотраженного сигнала. Для уменьшения их влияния антенны размещают на высоких штангах над вертикальными стенами.
ГНСС-приемник Leica GMX901При мониторинге зданий и сооружений широкое применение нашли высокоточные автоматизированные тахеометры (Leica 1200, Leica TM30, Leica TCA2003), заменившие обычные электронные тахеометры. Например, тахеометр Leica ТМ50 способен измерять углы с точностью 0,5ʺ и расстояния с точностью 0,6 мм+1 ррм на отражатель. Причем он способен распознавать отражатель на расстоянии до 3000 м с миллиметровой точностью.
Широко применяют также инклинометр Leica серии NIVEL 200, который представляет собой моноблочный датчик, подключаемый через разъем к источнику постоянного тока 12 В. Инклинометры Leica серии NIVEL 200 измеряют угол наклона в миллирадианах (mrad), а температуру – в градусах по Цельсию с точностью 0,10° С. При этом следует учитывать, что СКО определения угла наклона не может быть меньше максимальной чувствительности инклинометра, которая составляет 0,001 mrad.
Тахеометр Leica TM50В Российской Федерации и странах СНГ традиционно сложилась система измерений угловых величин в градусах, минутах и секундах. В силу различных технических задач, а также в связи с частым использованием специалистами зарубежных программных средств возникает необходимость представления информации о наклоне в радианах (rad), миллирадианах (mrad), микрорадианах (μrad) и сантисекундах (сс). Для удобства перевода из одних единиц измерения в другие можно использовать параметры перехода. Несомненное удобство использования единиц измерения в радианах состоит в том, что угловая величина в 1 mrad соответствует наклону поверхности в 1 мм на 1 м. Несколько инклинометров, объеденных в измерительную сеть, дополненную другим оборудованием, устанавливаются на плиту фундамента и элементы конструкции в районе ядра жесткости.
Как было отмечено ранее, для успешного слежения за деформациями стали совмещать оптические (геодезические), спутниковые и геотехнические методы, т.е. разрабатывать так называемые автоматизированные системы. Авторы этих систем – компании, специализирующиеся на разработках геодезического оборудования для деформационного мониторинга. Автоматизированная система состоит из двух элементов: аппаратной части и программного обеспечения. Комбинация этих элементов бывает разной, но в целом система обеспечивает получение данных как оперативно (в режиме реального времени), так и на средне- и долгосрочных временных отрезках, предоставление отчетной информации о состоянии объекта, архивирование данных и фиксацию состояния конструктивных элементов отслеживаемого объекта, получение фактических данных о состоянии объекта для принятия административных и хозяйственных решений.
Принцип работы автоматизированной системы для слежения за деформациями.Главное преимущество таких систем состоит в том, что информация, получаемая геодезическими, геотехническими и спутниковыми методами, собирается в единую информационную сеть, может быть обработана в едином программном обеспечении и проанализирована по единой временной шкале. Все используемые устройства для сбора данных объединяются в общую сеть, которая настраивается и управляется из единого центра контроля. Центр контроля представляет собой персональный компьютер с программным комплексом, позволяющим принимать данные с устройств, регистрировать их, выполнять анализ, а при возникновении критических изменений на объекте мониторинга предупреждать об этом инженеров.
Оповещения об аварийных подвижках на объекте могут быть немедленно отправлены оператору сети по электронной почте, SMS или факсу. Оператор получит предупреждение об опасности именно тогда, когда значение контролируемого параметра достигнет заданной заранее критической величины. В качестве средств передачи данных между элементами сети может использоваться проводная и беспроводная связь (Wi-Fi, радиоканалы) и др.
Датчики системы, защищенные от погодных и физических воздействий, подключаются к источнику постоянного электропитания и устанавливаются в труднодоступных местах. В зарубежной практике принято устанавливать поля одномерных датчиков напряжений по системе взаимно перпендикулярных линий. Результаты измерений легко визуализировать в поля деформаций. При более экономной схеме в ключевых точках монтируются 3D-датчики по осям X, Y, Z. Датчики крепятся на арматуру в процессе строительства, а сигнальные кабели от датчиков сводятся в комнату мониторинга, откуда идет автоматический опрос показаний. В непрерывном режиме происходит сбор данных с приборов сети, проводится обработка полученных результатов и выполняется вывод значений на монитор оператора. Все измеренные параметры и результаты обработки записываются в единую базу данных. На основе накопленных данных можно судить о динамике объекта в целом, оперативно рассчитать прогноз развития деформаций, понять их природу и принять меры для предупреждения аварийной ситуации на конкретном участке объекта.
Применение схем мониторинга грунтового массива и фундаментов позволяет не только следить за состоянием здания, но и на основании анализа натурных и расчетных данных применять в последующих зданиях более эффективные конструктивные решения. Существенно, что расположение датчиков таково, что они образуют объемную схему мониторинга в нижней части здания.
Результаты математического моделирования с использованием современных средств конечно-элементного анализа.Для определения расчетных (допустимых) значений контролируемых параметров разрабатываются математическая и компьютерная модели объекта с использованием современных средств конечно-элементного анализа (ANSYS, Лира, MicroFe и др.). Ниже представлен пример результата математического моделирования для систем мониторинга здания законодательной и исполнительной власти г. Москва в ММДЦ «Москва-Сити». Разработанные математические модели уточняются по мере строительства и получения реальных показаний с датчиков. В итоге по окончании строительства математическая модель объекта соответствует построенному объекту и используется для анализа результатов мониторинга, оценки и прогноза развития.
Известно, что в окружающем нас мире нет ничего постоянного: изменяются природные и искусственные ландшафты, находятся в непрерывном движении строительные конструкции; однако не стоят на месте, совершенствуются и развиваются и технологии контроля, позволяющие предотвращать техногенные катастрофы. Несложно предположить, что подобные автоматизированные системы для мониторинга обойдутся довольно дорого. Однако, если провести простые экономические расчеты, суммировав затраченные на традиционный мониторинг ресурсы (аналитический фактор, трудочасы персонала, транспортные и эксплуатационные расходы), то становится очевидным, что сеть средней сложности, включающая в себя геодезические приборы и геотехнические датчики, окупается примерно за два сезона наблюдений. При этом для обслуживания даже самой сложной сети достаточно всего одного специалиста, а вероятность ошибок измерений почти равна нулю. Такие ошибки, как неточное наведение или пропущенные цели, исключены. Кроме того, данная система позволяет специалистам вести непрерывный мониторинг и своевременно реагировать на внештатные ситуации.
А.А. Токарева