Опыт проектирования и эксплуатации схем мониторинга конструкций и оснований высотных зданий

Авторы:
В. Николаев, генеральный директор ОАО «ЦНИИЭП жилища»
В.М. Острецов, А.В. Острецов, Л.Б. Гендельман, А.Б. Вознюк, Н.К. Капустян, В.В. Сухин

Высотное здание является очень сложным инженерным сооружением, в котором необходимо контролировать техническое состояние и функционирование разнообразных компонентов. Все эти элементы взаимосвязаны и составляют единую систему мониторинга здания. Статья посвящена вопросам подбора оборудования и методик, их объединения для создания схемы мониторинга состояний конструкций надземной и подземной частей высотного здания и грунтов основания.

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.

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 практики строительства за рубежом [7,8].

Инструментальный мониторинг

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 [7, 8], спутниковых GPS-технологий [9], возможно лазерное сканирование объекта [10]. 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) [7,8,11]. 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]. 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], 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.
Примеры инструментального осна­щения схем мониторинга для плитного (Москва) и плитно-свайного (Казань) фундаментов показаны на рис. 2.

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.

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 [12]. 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 г. 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.

Таким образом, данные схемы позволяют 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 состояниями зданий, но и на основании анализа натурных и расчетных данных применять в последующих постройках зданий более эффективные конструктивные решения.

Датчики в элементах конструкций здания

В зарубежной практике принято устанавливать поля 1-мерных датчиков напряжений по системе взаимно-перпендикулярных линий [8]. Результаты измерений легко визуализировать в поля деформаций. При более экономной схеме в ключевых точках монтируются ЗЭ-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 колонах стилобата высотного жилого комплекса «Континенталь» в Москве показано размещение 30-датчиков. Контролируется напряженно-деформированное состояние участков наибольших нагружений 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.

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.).

Мониторинг зданий

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 [13, 14]. 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 [15, 16] Например, при анализе функции когерентности каналов выявляют собственные колебания зданий, проводится построение амплитудных и фазовых распределений по объему сооружения
[15]. В 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 [б]. 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 [17], а также для задач сейсмического просвечивания [18]. 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.

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. б показаны изменения 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, присильном ветре - до 2%. Существенно, что это многоцикловое динамическое воздействие, которое следует иметь в виду при армировании;
• 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. Трещины и нарушения видны при обследовании исторических памятников [19];
• 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 [20], 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. [21].

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 промпомехами). Таким образом, мониторинг должен вестись датчиками, ориентированными на сейсмо­логические наблюдения.

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.

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.

Докалад размещен в сборнике материалов конференции