способ определения изменений напряженно-деформированного состояния конструкций здания или сооружения

Формула изобретения

Способ определения изменений напряженно-деформированного состояния конструкций здания или сооружения, заключающийся в том, что измерение пространственных колебаний здания или сооружения осуществляют неоднократно в процессе эксплуатации посредством трехкомпонентных вибродатчиков, обеспечивающих регистрацию колебаний по координатам, определяют по этим измерениям передаточные функции частей здания или сооружения и устанавливают на основании сравнения передаточных функций для разных во времени эксплуатации измерений наличие изменений напряженно-деформированного состояния конструкций здания или сооружения, отличающийся тем, что здание или сооружение разделяют по высоте на зоны от 3 до 5 этажей, при этом трехкомпонентные вибродатчики устанавливают на границе каждой из зон стационарно, причем перед регистрацией колебаний осуществляют динамическую нагрузку, например неупругий удар в виде широкополосного импульса с частотным диапазоном, перекрывающим область собственных колебаний исследуемой зоны здания или сооружения, на границе двух исследуемых зон здания или сооружения, после чего последовательно измеряют колебания в трех точках: вблизи места приложения динамической нагрузки, на противоположных границах нижерасположенной и вышерасположенной зон, а передаточные функции для каждой из исследуемых зон определяют как отношение спектров мощности одновременно зарегистрированных сигналов в двух точках: в месте регистрации отклика на динамическую нагрузку в виде импульса, прошедшего через зону, и в месте приложения динамической нагрузки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительства и касается способа определения изменений напряженно-деформированного состояния конструкций здания или сооружения в процессе их эксплуатации.

Известен способ динамического испытания зданий (патент РФ №2011174, G 01 M 7/00, 1994) с использованием зарядов взрывчатых веществ, недостатком которого является применение именно последних.

Известен способ определения вибрации здания (Авторское свидетельство СССР №1777018, G 01 M 7/00, 1992), согласно которому уровни вибраций одновременно регистрируют на грунте вблизи здания, а также в его нижней и других частях, что позволяет определить коэффициенты передачи вибраций от грунта к нижней части здания и далее по его частям с учетом техногенного фона. Способ используется для определения возможности установки прецизионного оборудования и прогноза уровня вибраций во вновь строящихся однотипных зданиях.

Существенным недостатком этого способа является одномерное измерение величины вибраций, что не дает необходимого представления о динамическом напряженном состоянии обследуемого объекта.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является способ определения физического состояния зданий и сооружений, заключающийся в том, что измерения пространственных колебаний осуществляют посредством трехкомпонентных перемещаемых по точкам схемы наблюдений вибродатчиков, определяют присущий каждому зданию или сооружению индивидуальный комплекс параметров динамических характеристик собственных пространственных колебаний и устанавливают на основании этого наличие изменения свойств подстилающего грунта и дефектов в конструкции объекта, возникших в процессе его эксплуатации, а также определяют физическое состояние объекта и оценивают безопасность дальнейшей его эксплуатации, возможность ремонта, реконструкции или необходимость сноса объекта (патент РФ №2140625, G 01 M 7/00,1999).

В известном решении для установления наличия изменений свойств подстилающего грунта и дефектов в здании или сооружении, возникающих в процессе эксплуатации, в основу способа положены два физических явления: каждому объекту присущ индивидуальный комплекс параметров динамических характеристик пространственных колебаний и микросейсмический фон естественного и техногенного происхождения вызывает собственные колебания объектов. Однако при этом не учитывается, что здания и сооружения представляют собой сложные динамические системы, индивидуальный комплекс параметров динамических характеристик пространственных колебаний которых зависит от уровня и места приложения динамической нагрузки, вызывающей их колебания, и измерения, полученные при разных уровнях микросейсм (в том числе приложенных в различных местах), и не должны давать одинаковые результаты, даже если состояние объекта не изменилось. Кроме того, регистрация колебаний в разных точках здания или сооружения существенно искажается при повторных неточностях размещения вибродатчиков относительно осей здания или сооружения.

Следует отметить также, что в известном способе под физическим состоянием объекта понимается техническое состояние здания или сооружения, в противном случае оно неинтересно ни при эксплуатации, ни при строительстве объекта (терминология СП 13-102-2003). Техническое же состояние объекта определяется на основании других способов, не использующих приемы известного способа.

Кроме того, оценка безопасности дальнейшей эксплуатации объекта основана на определении его технического состояния, а оценка возможности ремонта, реконструкции или необходимости сноса объекта определяется на основании его технического состояния и других экономических факторов.

Предлагаемым изобретением решается задача определения конкретной зоны в здании или сооружении, где произошли изменения напряженно-деформированного состояния конструкций, что позволяет в итоге быстро приступить к техническому обследованию конструкций и принятию решения по обеспечению безопасности дальнейшей эксплуатации объекта или по его реконструкции.

Для достижения указанного технического результата в способе определения изменений напряженно-деформированного состояния конструкций здания или сооружения, заключающемся в том, что измерение пространственных колебаний здания или сооружения осуществляют неоднократно в процессе эксплуатации посредством трехкомпонентных вибродатчиков, обеспечивающих регистрацию колебаний по координатам, определяют по этим измерениям передаточные функции частей здания или сооружения и устанавливают на основе сравнения передаточных функций для разных во времени эксплуатации измерений наличие изменений напряженно-деформированного состояния конструкций здания или сооружения, здание или сооружение разделяют по высоте на зоны от 3 до 5 этажей, при этом трехкомпонентные вибродатчики устанавливают на границе каждой из зон стационарно, причем перед регистрацией колебаний осуществляют динамическую нагрузку, например неупругий удар в виде широкополосного импульса с частотным диапазоном, перекрывающим область собственных колебаний исследуемой зоны здания или сооружения, на границе двух исследуемых зон здания или сооружения, после чего последовательно измеряют колебания в трех точках: вблизи места приложения динамической нагрузки, на противоположных границах нижерасположенной и вышерасположенной зон, а передаточные функции для каждой из исследуемых зон определяют как отношение спектров мощности одновременно зарегистрированных сигналов в двух точках: в месте регистрации отклика на динамическую нагрузку в виде импульса, прошедшего через зону, и в месте приложения динамической нагрузки.

Признаки, отличающие предлагаемый способ определения изменения напряженно-деформированного состояния конструкций здания или сооружения от наиболее близкого к нему известного способа по патенту Российской Федерации.№2140625, заключаются в том, что здание или сооружение разделяют по высоте на зоны от 3 до 5 этажей, при этом трехкомпонентные вибродатчики устанавливают на границе каждой из зон стационарно, причем перед регистрацией колебаний осуществляют динамическую нагрузку, например неупругий удар в виде широкополосного импульса с частотным диапазоном, перекрывающим область собственных колебаний исследуемой зоны здания или сооружения, на границе двух исследуемых зон здания или сооружения, после чего последовательно измеряют колебания в трех точках: вблизи места приложения динамической нагрузки, на противоположных границах нижерасположенной и вышерасположенной зон, а передаточные функции для каждой из исследуемых зон определяют как отношение спектров мощности одновременно зарегистрированных сигналов в двух точках: в месте регистрации отклика на динамическую нагрузку в виде импульса, прошедшего через зону, и в месте приложения динамической нагрузки.

Способ осуществляют следующим образом.

Здание или сооружение, включая грунтовое основание, подразделяют по высоте на зоны, охватывающие от 3 до 5 этажей. Такое разделение, с одной стороны, ограничивается частотным диапазоном прилагаемой динамической нагрузки - неупругого удара в виде широкополосного импульса, которую возможно создать для охвата собственных колебаний 3-5 этажей зданий по уровню интенсивности, превышающему уровень динамического шума (микросейсм), а с другой стороны, ограничивается экономической целесообразностью последующего объема обследования технического состояния в случае выявления существенного изменения напряженно-деформированного состояния конструкций в той или иной зоне здания или сооружения. На границах этих зон стационарно устанавливают трехкомпонентные вибродатчики, которые ориентируют вдоль продольной и поперечной осей здания или сооружения.

С помощью вибродатчиков и регистрирующей аппаратуры осуществляют последовательно в частотном диапазоне от 0,5 до 50 Гц (частота квантования 200 Гц) одновременную регистрацию пространственных колебаний в каждых трех последовательных точках расположения вибродатчиков, осуществляя каждый раз динамическую нагрузку вблизи второй точки. По этим данным вначале строят спектры мощности зарегистрированных сигналов в каждой из трех точек, а затем передаточные функции, представляющие собой отношения этих спектров. При этом отношение спектра в вышележащей точке к спектру во второй точке характеризует свойства верхней исследуемой зоны здания или сооружения, через которую прошел заданный импульс, а отношение спектра в нижележащей точке к спектру во второй точке характеризует свойства нижней исследуемой зоны здания или сооружения, через которую прошел заданный импульс. Таким образом, при каждом таком измерении получают две передаточные функции для двух исследуемых зон здания или сооружения. При следующем по очереди измерении в трех точках получают опять две передаточные функции, причем в предыдущем и последующем измерениях получают передаточные функции для одной и той же зоны здания или сооружения, которые, однако, не обязаны совпадать, так как в одном случае сигнал шел снизу вверх, а во втором - сверху вниз.

Получив комплект передаточных функций для всех выделенных зон здания или сооружения, проводят сравнение передаточных функций для каждой зоны здания или сооружения с соответствующими им передаточными функциями, полученными при измерениях в более ранний период эксплуатации. Произведя такой анализ с учетом плановых перераспределений нагрузок в здании или сооружении (реконструкции, перепланировки, перемещение тяжелого оборудования и др.), выявляют зоны здания или сооружения, для которых изменились передаточные функции, т.е. для которых произошло изменение напряженно-деформированного состояния конструкций и которые требуют проведения обследования технического состояния конструкций. На основании обследования устанавливают категорию технического состояния конструкций, т.е. оценивают безопасность дальнейшей эксплуатации объекта, необходимость восстановительных или усилительных мероприятий, возможность того или иного варианта реконструкции.

Предлагаемый способ определения изменений напряженно-деформированного состояния конструкций здания или сооружения был опробован на зданиях различного конструктивного типа: блочных, панельных, блочно-панельных и каркасно-панельных, попадающих в зону строительства и эксплуатации третьего транспортного кольца. Были проведены измерения в различные периоды строительства и эксплуатации этой транспортной магистрали, вызывающей повышенный уровень как динамических воздействий на окружающие здания и сооружения, так и сдвижений грунтовых массивов. Более пятнадцати зданий контролировались по предложенному способу.