Опыт проектирования и эксплуатации

схем мониторинга конструкций и оснований высотных зданий

Высотные здания (более 75 м) становятся особенностью современного силуэта крупного города. Обеспечение безопасности при их строительстве и эксплуатации требует постоянного контроля состояния (мониторинга) объекта. Вслед за промышленными и специальными сооружениями, такие работы в настоящее время предпринимаются для зданий гражданского назначения. Учитывая, что высотное здание является очень сложным инженерным сооружением, необходимо контролировать техническое состояние и функционирование разнообразных компонентов — инженерных сетей, конструкций в целом и отдельных узлов, поведения грунтового массива и пр. Все эти элементы взаимосвязаны и составляют единую систему мониторинга здания, объединяющую набор отдельных технических решений. Важными вопросами создания системы являются проблемы подбора оборудования и методик, их объединения для мониторинга состояний конструкций надземной и подземной частей высотного здания и грунтов основания.

Существенно, что требования проведения инструментального мониторинга содержатся в Московских Городских Строительных Нормах (МГСН-4.19-2005) [1], которыми руководствуются не только при возведении высотных зданий и многофункциональных комплексов в Москве, но и в других городах России (например, в г. Казани). Нормативы США и Европы [2, 3] предусматривают наблюдение за состоянием конструкций и грунтов основания, но не содержат конкретных указания по методам проведения инструментального мониторинга. Благодаря развитию методик и средств измерений, цифровой обработки сигналов, в настоящее время для мониторинга существует широкий набор возможностей выбора инструментов и методик. Тут важно для конкретного объекта и заданных технико-экономических показателей подобрать оптимальный вариант схемы мониторинга, наиболее полно контролирующих его состояние. Ниже представлены примеры создания различных вариантов схем на основании нашего опыта мониторинга высотных зданий в России (с 2003 г.) [4-6] и обобщения практики строительства за рубежом [7, 8].

Инструментальный мониторинг конструкций и оснований зданий опирается, в основном, на четыре типа методик:

1) геодезические измерения; выполняются как с помощью традиционной нивелировки, так и с использованием современных цифровых датчиков, спутниковых GPS-технологий, возможно лазерное сканирование объекта. Данные методики позволяют определять перемещение объекта (здания или отдельных его частей) в пространстве, в том числе, измерять осадки и крены. Получаемые данные соответствуют состоянию на момент измерений, т.е. при достаточно редких по времени замерах методики не дают подробной динамики поведения объекта;

2) инженерно-геологические наблюдения состояния грунтового массива в основании и в окрестности здания. Существует набор схем как разной трудоемкости и стоимости, так и разной разрешающей способности и информативности — от измерений в отдельных скважинах до межскважинного просвечивания (вплоть до получения 3-мерного томографического изображения). 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). Помимо скважин, важную информацию получают при размещении под фундаментной плитой сети датчиков давления на грунт, в сваях — вертикальных нагрузок [7, 8, 9]. Наблюдения могут вестись непрерывно или достаточно часто по времени, т.е. есть возможность следить за особенностями динамики объекта;

3) измерения нагрузок и деформаций в конструкциях фундамента и надземной части. Тут также существует набор инструментов [7, 8, 9], ниже рассмотрены схемы с использованием вибрационных датчиков напряжений, монтируемых по 1-, 2- и 3-м пространственным координатам X, Y, Z в точке и размещаемых в фундаментной плите, а также в стенах, пилонах и колонах здания. Наблюдения могут вестись в автоматическом режиме и, в том числе, непрерывно;

4) сейсмометрические методики; могут выполняться различными измерительными устройствами — деформографами, наклономерами и сейсмометрами (велосиметрами, акселерометрами). Схемы наблюдений разнообразны, включают варианты возбуждения колебаний здания как искусственными (удары, вибраторы), так и естественными (ветер, микросейсмы) источниками. Сейсмометрические измерения дают «мгновенную» картину состояния объекта, наблюдая которую во времени можно получить разнообразную информацию об особенностях динамики сооружения.

Следует отметить, что если первые три типа наблюдений дают в основном «прямую» информацию (величины осадок, нагрузок и пр.), то регистрация колебаний требует как достаточно сложной предварительной обработки, так и создания моделей динамики сооружения. Особенностью сейсмометрических методик является то, что схемы наблюдений могут быть достаточно простыми (вплоть до одной точки). Кроме того, они дают возможность контролировать не только величины ускорений, но и, как показано ниже, позволяют судить о совместной работе здания и грунтов основания, в том числе выявить неизвестные ранее явления.

Комплексирование первых трех типов мониторинга с сейсмометрическими наблюдениями позволяет связать между собой все получаемые данные. На рис. 1 представлен пример схемы мониторинга, разработанной нами для высотного комплекса «Континенталь» с плитным фундаментом в Москве на пр. Маршала Жукова. Схема мониторинга включает инструментальную (аппаратурную) часть и программное обеспечение, собирающее данные, их обрабатывающее и оценивающее состояние здания. Сопоставление рис. 1 со схемой, разработанной по требованиям зарубежных нормативов (Еврокод ЕС7) [7], показывает единство концепции, методов и средств осуществления инструментального мониторинга высотных зданий.

Рис. 1. Блок-схема инструментального мониторинга высотного комплекса «Континенталь» в Москве.

На рис. 2 показаны примеры инструментального оснащения схем мониторинга для плитного фундамента (Москва), а также и для плитно-свайного (Казань). Инструментальное оснащение мониторинга может варьироваться, но основными элементами являются:

— скважинные измерения осадок в грунтах, при малом числе скважин — дополняются измерениями наклонов,

— измерения порового давления и вариации уровня грунтовых вод,

— определения нагрузок на грунт и напряжений в фундаментной плите и сваях,

— измерение напряжений в конструкциях: стенах, пилонах и колонах,

— наблюдение колебаний здания.

Рис. 2. Схема расстановки оборудования инструментального мониторинга высотных зданий в Москве (А) и в Казани (В): 1 — геодезические измерения осадок, 2 — датчики давления на грунт, 3 — скважинные измерения осадок (послойных и суммарных), 4 — датчики порового давления, 5 — тензодатчики, 6 — сейсмометрические измерения колебаний, 7 — двухкоординатный инклинометр (измерение крена).

Рассмотрим в соответствии с нашим опытом принципы проектирования размещения оборудования. Определяющим для подбора конкретных измерительных средств является объемно-планировочное и конструктивное решения объекта, результаты инженерно-геологических изысканий. Основу геометрии размещения составляют результаты расчетов статики и динамики сооружения, важную роль играют результаты аэродинамических испытаний макетов. Проиллюстрируем конкретными примерами.

Датчики в грунтах основания. На рис. 3 и 4 представлены результаты расчетов осадок, нагрузок и моментов для коробчатой фундаментной плиты высотного корпуса жилого комплекса «Континенталь» в Москве. Сопоставление расчетов показывает, что зоне наибольших осадок в центральной части плана соответствует область растяжений, что в значительной мере определяет конфигурацию расстановки датчиков разных типов. На плане показаны места установки скважинных датчиков осадок (суммарных и послойных), порового давления, а также датчиков давления на грунт и напряжений в плите (по 3 направлениям X, Y, Z). Видно, что скважины для измерения осадок (5 шт.) позволяют контролировать состояние объекта по основным осям плана, причем для зон разной нагруженности. Достаточно «спокойная» инженерно-геологическая ситуация и устойчивость здания по соотношению ширина-высота позволили здесь «сэкономить» на датчиках крена. Датчики давления на грунт и напряжений в плите образуют своеобразные поля, геометрия их расположения определяется расчетными полями осадок и нагрузок, причем контролируются участки разного нагружения и осадки.

Рис. 3. Проектирование схемы мониторинга фундаментной плиты высотного здания «Континенталь» в Москве — расположение датчиков на результатах расчетов: вверху — осадок, внизу — вертикальной нагрузки; датчики: 1- 3D тензометры, 2 — давления на грунт, скважинные измерения: 3 — порового давления, 4 — послойных и 5 — суммарных осадок.

Рис. 4. Проектирование схемы мониторинга фундаментной плиты высотного здания «Континенталь» в Москве — расположение датчиков на результатах расчетов: вверху — горизонтальной (по оси X) нагрузки, внизу — моментов относительно оси X; датчики — те же, что на рис. 3.

Таким образом, данная схема позволяет не только вести мониторинг объекта, но и сопоставлять расчетные и реальные величины, получаемые на натурном объекте.Приведенные примеры и опыт мониторинга комбинированных плитно-свайных фундаментов в Германии [7] демонстрируют, что 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.

Датчики в элементах конструкций здания. В зарубежной практике принято устанавливать поля 1-мерных датчиков напряжений по системе взаимно-перпендикулярных линий [11]. 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. Сигнальные кабели от датчиков сводятся в комнату мониторинга, откуда идет автоматический опрос показаний (см. рис. 1)

На рис. 5 на примере результатов расчетов сил и моментов для колонн стилобата высотного жилого комплекса «Континенталь» в Москве показано размещение 3D-датчи­ков. Контролируется напряженно-деформированное состояние участков наибольших на­грузок и моментов. На данном объекте мониторинг напряжений ведется в фундаментной плите, в стенах и колонах стилобата и на уровне 1-го этажа. Особое внимание уделяется пилонам и колонам. Существенно, что датчики расположены таким образом, что образуют объемную схему мониторинга в нижней части здания.

Рис. 5. Пример размещение 3D-тензометров на схеме результатов расчетов сил и моментов для колонн стилобата высотного жилого комплекса «Континенталь» в Москве: 1- датчики в колоннах, 2 — в стенах.

Сейсмометрический мониторинг. Для возможности обследования здания в целом используются датчики в диапазоне частот от 0,2 Гц и выше, причем низкочастотный край диапазона ориентирован на выявление изменений в состоянии конструкций и может применяться для оценки физических характеристик грунтов оснований в условиях естественного залегания (модулей упругости, параметров нелинейности, флюидонасыщенности и пр.).

Остановимся на основных способах сейсмометрического мониторинга зданий. Для отслеживания изменений необходимо повторение наблюдений при сравнении регистрируемых волновых полей. Исходя из способов получения волновых полей и схем обработки, можно выделить три группы методик мониторинга конструкций зданий:

1) с возбуждением колебаний зданий искусственными источниками — ударами разной силы по зданию или вне его [10, 11]. Основные недостатки — требуется создание идентичного воздействующего сигнала для накопления отклика и подавление микросейсм; доступны лишь отдельные части здания, т.к. достаточно сложно возбудить колебания ниже 1 Гц — частоты, характерные для основного тона собственных колебаний высотных зданий;

2) при воздействии на здание микросейсм и их регистрации на коротких профилях в здании с последующей корреляционной обработкой [12, 13]. Например, при анализе функции когерентности каналов выявляют собственные колебания зданий, проводится построение амплитудных и фазовых распределений по объему сооружения [12]. В это способе возможно, при условии подходящего соотношения частот, ошибочное включение в обработку колебаний, наведенных на здание от других объектов;

3) источником, возбуждающим собственные колебания здания, являются постоянно присутствующие пульсации атмосферного давления, регистрируют одновременно пульсации давления (микробарографом) и микросейсмы по 3 компонентам (X, Y, Z), наблюдения могут вестись в одной точке, в том числе вне здания [5]. При обработке выделяют тонкие линии в спектре, анализируют временной ход их амплитуд в сравнении с ходом вариаций атмосферного давления, что позволяет отсеять наведенные колебания от соседних сооружений [6]. Мониторинг по этому способу может вестись в одной точке, обследования целостности здания — в нескольких ключевых точках.

Последний способ нам представляется наиболее технологичным и экономичным. Кроме того, модификация этой методики может применяться для изучения свойств оснований сооружений, а также для задач сейсмического просвечивания [14]. В настоящее время по способу [5] оборудована станция стационарного мониторинга высотного жилого здания «Эдельвейс» в Москве (ул. Давыдковская), измерения проводятся с интервалом в 10 суток в течение около 3 лет.

Рис. 6. Изменение во времени собственных частот основного тона колебаний здания «Эдельвейс» в горизонтальной плоскости (по осям X, Y).

Опыт мониторинга высотного жилого дома «Эдельвейс» показывает, что схема наблюдений, использующая для возбуждения колебаний здания ветровые пульсации, позволяет решать широкий круг задач мониторинга:

— определение собственных частот и слежение за изменением их во времени. На рис. 6 показан изменение во времени (временной ход) значений собственных частот основного тона для высотного 44-эт. жилого дома «Эдельвейс» (0,54 и 0,72 Гц в направлениях разных осей плана X, Y). После ввода в эксплуатацию наблюдается тенденция к систематическому уменьшению значений — за год на 0,015 Гц, что связано, по-видимому, с «загрузкой» здания;

— построение в разных точках траекторий движения собственных колебаний, на этой базе — получение картины деформаций. На рис. 7 на фундаментной плите наиболее выразительны траектории в вертикальной плоскости поперек корпуса — видны различия траекторий в противоположных точках плана, свидетельствующих о деформировании плиты. Оценка значений дает добавочные напряжения при нормативном ветре 0,5% от расчетных статических, при сильном ветре — до 2%. Существенно, что это многоцикловое динамическое воздействие, которое следует иметь в виду при армировании;

Рис. 7. Траектории движения точек при ветровых колебаниях высотного здания в г. Москва: на 30 этаже и на фундаментной плите (положение точек показано на плане).

— выявление нарушений в конструктивных связях. В высотном здании присутствует деформационный шов, на рис. 7 видны различия в траекториях по разные стороны деформационного шва — в горизонтальной плоскости амплитуды колебаний поперек корпуса совпадают, а вдоль — для крайней точки амплитуда больше, чем для центральной. Данные позволяют оценить расхождение блоков здания по шву;

— наблюдением особенностей совместной работы здания с грунтами основания, в том числе появление так называемой присоединенной массы грунта к фундаменту после возведения здания. Эффект проявляется в том, что в период замерзания и оттаивания грунта появляется еще один пик в спектре — для здания «Эдельвейс» на частоте 0,18 Гц. Явление создания присоединенной массы к колеблющемуся штампу на грунте хорошо известен в вибрационной сейсморазведке, аналогичный эффект возможен тут как результат постоянных слабых колебаний здания при нежестком закреплении.

Существенно, что этот эффект отмечен нами для двух обследованных зданий в Москве — «Эдельвейс» и высотного главного корпуса МГУ. В качестве опорных для МГУ мы использовали результаты сейсмометрических работ, выполненных И.Л. Корчинским в 1950-х гг. [15].

Важным вопросом организации сейсмометрического мониторинга является подбор датчиков и их размещение. Основные параметры для выбора типа датчика — частотный диапазон и чувствительность. Несомненно, что сейсмометр должен регистрировать собственные колебания основного тона и нескольких более высокий гармоник. Для высотных зданий основной тон лежит в диапазоне менее 1 Гц (обычно 0,2-0,8 Гц), частоты выше 25-30 Гц регистрировать нецелесообразно (полезный сигнал маскируется промышленными помехами). Таким образом, мониторинг должен вестись датчиками, ориентированными на сейсмологические наблюдения. В настоящее время нами опробованы различные типы датчиков:

— велосиметры — российские С-5-С, СМ-3, КМВ (конструкции ИФЗ РАН), и зарубежные — фирмы GuralpCMG-3ESPC (трехкомпонентный широкополосный с частотным диапазоном от 100 сек (0,01Гц) до 50 Гц и чувствительностью 2*10 000 В/м/с),

— акселерометры — конструкции ИФЗ РАН и фирмы GuralpCMG-5Т (трехкомпонентный форс-балансный).

Проведены испытания, в том числе с установкой на одном постаменте (см. фото 1). По результатам испытаний для обследований зданий и сооружений приняты датчики фирмы GuralpCMG-5Т или отечественные СМ-3 (трехкомпонентная расстановка). Для стационарного мониторинга в соответствии с требованиями метрологии приняты датчики фирмы GuralpCMG-3ESPC и CMG-5Т, укомплектованные датчиками GPS для наблюдений в едином мировом времени и с автономной регистрацией на флеш-памяти устройством GSR-24 (фирмы GeoSIG). Такой подход позволяет оборудовать систему мониторинга не только датчиками по международному стандарту, но и в случае чрезвычайных ситуаций иметь сейсмический «черный ящик», содержащий информацию о происшествии.

Размещение датчиков по зданию определяется его архитектурно-планировочным решением. Тут также существенную роль играют результаты аэродинамических испытаний макетов. На рис. 8 приведена схема статических (средних) ветровых нагрузок на фасад высотного корпуса на пр. Маршала Жукова в Москве. Видна явная неравномерность нагрузки, что создает предпосылку для дополнительных деформаций объекта. Для таких сложных зданий целесообразно устанавливать 4 датчика — по 2 на верхних этажах и на фундаментной плите, причем располагать их в противоположных концах плана для возможности выявления крутильных колебаний. Существенно, что датчики должны вести наблюдения в едином времени, что возможно путем синхронизации их по GPS-временным маркам. Для зданий более простой формы количество датчиков может быть уменьшено, вплоть до 1 шт., с размещением на верхнем этаже.



Рис. 8. Нагрузки на фасад высотного здания «Континенталь» в Москве по результатам аэродинамических испытаний макета (слева — наветренный, справа — подветренный фасады).

Чувствительность мониторинга с использованием ветровых колебаний зданий исследовалась во время совместной экспедиции Института физики Земли РАН, Института экологических проблем Севера УрО РАН, ОАО ЦНИИЭП жилища и при поддержке Соловецкого музея-заповедника по обследованию состояния сооружений монастыря. Были выбраны здания простой формы и разной степени повреждения — Преображенская гостиница, Белая башня, комплекс Колокольни и Никольской церкви (см. фото). Получен богатый материал, используемый для метрологической настройки системы мониторинга и для практических нужд реставрации зданий.

Заключение. Опыт проектирования схем мониторинга, их монтажа и проведения наблюдений показывает эффективность использования в едином комплексе цифровых измерительных устройств различных типов, дающих сведения о состоянии конструкций и грунтов основания зданий. Инструменты мониторинга объединяются в единую схему с помощью программного комплекса, управляющего сбором, обработкой и анализом информации. Подбор и размещение датчиков определяется путем анализа материалов инженерно-геологических изысканий, расчетов статики и динамики сооружения, результатов аэродинамических испытаний макетов высотных зданий. Надеемся, что представленный опыт создания схем инструментального мониторинга будет полезен как на стадии проектирования, так и при строительстве высотных зданий и многофункциональных комплексов.

Авторы: Капустян Н. К, Вознюк А. Б.