Предотвратить аварии в высотном строительстве поможет мониторинг

Масштабное строительство в крупных городах нашей страны порождает проблемы, связанные с обеспечением надежности строящихся сооружений, а также со снижением негативного техногенного воздействия на постройки, расположенные в зоне строительных работ. В частности, актуален вопрос разработки методики для получения объективной оценки технического состояния конструкций, испытывающих внешние деформационные воздействия.

В современном строительстве можно выделить следующие тенденции:

• увеличение этажности зданий;
• уплотнение городской застройки;
• стесненность строительных площадок;
• освоение подземного пространства;
• насыщение инженерными коммуникациями.

Сегодня особое значение приобретают проблемы контроля технического состояния несущих конструкций и обоснованности выбора соответственного комплекса инженерных мероприятий. Наблюдение за техническим состоянием несущего остова зданий и сооружений должно соответствовать следующим требованиям:

• работать систематически;
• производить оценку происходящих изменений на основе количественных критериев;
• базироваться на процедурах выявления фактической прочности, жесткости и устойчивости конструктивных элементов и их соответствия нормативным требованиям.

Для зданий и сооружений, подверженных риску повреждений от воздействия внешних факторов, обязательны следующие мероприятия:

• контроль технического состояния несущих конструкций;
• анализ данных и принятие корректирующих мероприятий.

Актуальность данной темы определяется необходимостью создания обоснованной методики для объективной оценки технического состояния несущих конструкций, испытывающих внешние деформационные воздействия. Такая методика позволила бы с высокой достоверностью прогнозировать и предупреждать появление и развитие аварийных ситуаций.

Следует отметить, что в процессе традиционного проектирования, базирующегося на полувероятностных методах расчетов, применение системы частных коэффициентов безопасности позволяет создавать некоторые нормируемые резервы (запасы) прочности и деформативности конструктивной системы, что увеличивает способность здания противостоять появлению и развитию аварийных ситуаций.

Предпосылки для проведения мониторинга напряженно-деформированного состояния (НДС) несущих конструкций высотных зданий

Деформационные воздействия на конструкции высотных зданий, обусловленные изменением свойств материалов и основания, часто бывают продолжительными. Сегодня наиболее эффективным способом прогнозирования и предупреждения аварийных ситуаций является мониторинг их технического состояния, который проводится в постоянном режиме на стадиях строительства и эксплуатации зданий и сооружений. Подобная процедура, позволяющая оценить техническое состояние конструкций для сооружений широкого круга и различного назначения, стала необходимостью совсем недавно, после введения в действие нормативных документов – ТКП 45–3.02–108–2008 (02250) «Высотные здания. Строительные нормы проектирования» и ТКП 45–1.03–109–2008 (02250) «Высотные здания из монолитного железобетона. Правила возведения». Однако необходимо учитывать, что нормативная база, регламентирующая методы проведения мониторинга строительных объектов, а также трактовка полученных результатов в настоящее время разработаны недостаточно.

В данном случае основой мониторинга становится инженерное обследование технического состояния конструкций объекта, производимое квалифицированными специалистами. В результате инженерного обследования объективно выявляют происходящие в конструкциях изменения. Обследования проводятся с помощью визуального и инструментального контроля на подготовительном этапе мониторинга.

Нормативное техническое состояние конструкций объекта в значительной степени определяется неизменностью и стабильностью их геометрических параметров (пространственное положение, пролеты, прогибы, перемещения). Контроль деформаций объекта традиционно осуществляется путем определения развития вертикальных осадок по контуру самого объекта в уровне основания. Данная методика осуществляется с помощью геометрического нивелирования. Следует обратить внимание на то, что учет одних только вертикальных осадок в уровне основания не позволяет увидеть полную картину пространственной деформации всего объекта и изменения НДС его конструкций. Ошибки могут быть особенно велики при значительных габаритах и большой этажности сооружений, когда невозможен доступ к необходимому количеству точек для геометрического нивелирования в нужном объеме.

При сложном пространственном очертании объекта неравномерные деформации основания, вызывая пространственные деформации всего здания, сопровождаются повреждениями элементов его несущих конструкций по всему объему. В подобных случаях практически невозможно полностью выявить характер деформирования основания инструментально, так же как и численно оценить его влияние на НДС несущих конструкций.

Таким образом, при неравномерных деформациях основания объекта можно выделить основные параметры, которые необходимо контролировать в ходе мониторинга. Таковыми являются пространственные деформации сооружения – взаимные перемещения массива его характерных точек в нескольких уровнях по высоте и периметру объекта. Наиболее эффективным способом решения данной проблемы является пространственно-координатный мониторинг положения характерных точек объекта с помощью современной аппаратуры, которая в настоящее время способна обеспечить необходимую точность и скорость измерений. По результатам мониторинга, помимо визуально-нормативной оценки технического состояния конструкций, должен производиться численный анализ их НДС на основании проверочных расчетов с уточненными данными, полученными при обследовании сооружения. Сегодня проектирование и расчет строительных конструкций, как правило, осуществляется численными методами с помощью специализированных вычислительных комплексов, большинство алгоритмов которых основано на методе конечных элементов (МКЭ).

Трудности контроля с помощью традиционных методов

В эксплуатируемом высотном здании доступ к большей части несущих конструкций существенно ограничен, поэтому при применении традиционных методов визуального и инструментального обследования появляются определенные трудности контроля состояния этих конструкций. Кроме того, следует учитывать, что в высотных сооружениях влияние на НДС несущих конструкций оказывают ветровые нагрузки, создающие значительную рассеянность мест накопления деформационных повреждений в этих конструкциях. Для сравнения, в зданиях меньшей этажности деформирование несущих конструкций, как правило, связано с неравномерностью просадок различных частей здания

Для безопасной эксплуатации высотных и большепролетных объектов необходимы предварительное выявление (ранняя диагностика) изменений НДС конструкций и локализация мест такого изменения с использованием других методов, не связанных с прямым до­ступом к несущим конструкциям и не требующих существенных финансовых и трудовых затрат для реализации.

Вероятность аварий в строительстве и эксплуатации высотных зданий

Способность объекта противостоять переходу в аварийное состояние определяется следующими факторами:

• проектным решением и степенью его реального воплощения при строительстве;
• текущим остаточным ресурсом и техническим состоянием объекта во время эксплуатации;
• степенью изменения объекта (перестройка, перепланировка, пристройка, реконструкция, капитальный ремонт и т. п.);
• специфическими условиями эксплуатации объекта, связанными с высокой механической нагруженностью (статической, усталостной, вибрационной) от технологического и прочего оборудования;
• изменениями условий окружающей среды под воздействием природного, техногенного характера, а также воздействий обусловленных антропогенным («человеческим») фактором.

Использование автоматизированных систем контроля актуально, так как позволяет выполнять большой объем работ при минимальном использовании труда человека. Для сравнения, при применении традиционного способа проведения работ требуется большое количество подготовленных специалистов.

По материалам статьи С. Г. Хлыстова, кандидата технических наук, технического директора фирмы АККЕ Finlandia OY (Финляндия); А. П. Хандогина, генерального директора СООО «Крафтверк Вайрусланд»; Г. А. Туровца, заведующего отделом РУП «Институт БелНИИС»; Н. Г. Бурсова, научного сотрудника РУП «Институт БелНИИС»