Белый Андрей Анатольевич, доктор технических наук, доцент, академик Международной академии транспорта, академик Российской академии транспорта, профессор кафедры «Мосты и тоннели» Ташкентского государственного транспортного университета, технический директор ООО «К2 Инжиниринг»
В статье рассмотрены современные подходы к обеспечению эксплуатационной надежности и сейсмической безопасности инженерных сооружений. Показано, что повышение безопасности технически сложных и уникальных объектов требует комплексного применения систем мониторинга технического состояния, устройств сейсмоизоляции, демпфирующих систем, специальных опорных частей и деформационных швов. Рассмотрены основные принципы построения интегральных систем мониторинга, современные технологии сейсмозащиты и конструктивные решения, обеспечивающие надежную работу сооружений при значительных эксплуатационных и сейсмических воздействиях. Представлен практический опыт реализации указанных решений на объектах транспортной и гражданской инфраструктуры.
Ключевые слова: мониторинг сооружений, сейсмозащита, сейсмоизоляция, демпферы, опорные части, деформационные швы, инженерные сооружения, надежность сооружений.
Содержание
- 1. Введение
- 2. Комплексный подход к обеспечению надежности сооружений
- 3. Интегральный мониторинг инженерных сооружений
- 4. Современные технологии сейсмозащиты сооружений
- 5. Совместная работа систем мониторинга и средств сейсмозащиты
- 6. Специальные конструктивные решения для восприятия перемещений
- 7. Практический опыт реализации
- 8. Заключение
- 9. Библиографический список
ВВЕДЕНИЕ
Современное строительство характеризуется постоянным увеличением числа технически сложных и уникальных сооружений. К ним относятся мостовые переходы больших пролетов, транспортные развязки, высотные здания, спортивные сооружения, терминалы аэропортов и другие объекты повышенного уровня ответственности [1-10].
Одновременно возрастают требования к безопасности и надежности сооружений на протяжении всего жизненного цикла. Особую актуальность данная задача приобретает в районах с повышенной сейсмической активностью, где конструкция подвергается воздействию не только постоянных и временных нагрузок, но и экстремальных динамических воздействий.
Традиционные подходы, основанные исключительно на увеличении прочности и жесткости несущих конструкций, не всегда позволяют обеспечить требуемый уровень безопасности и экономической эффективности. В связи с этим широкое распространение получили технологии сейсмоизоляции, демпфирования и непрерывного мониторинга технического состояния сооружений.
Комплексный подход к обеспечению надежности сооружений
Современная концепция обеспечения надежности инженерных сооружений основана на комплексном использовании нескольких взаимосвязанных технических решений:
• систем мониторинга технического состояния;
• устройств сейсмоизоляции;
• демпфирующих устройств;
• специальных опорных частей;
• деформационных швов;
• систем ограничения перемещений.
Каждый из перечисленных элементов выполняет самостоятельную функцию, однако максимальная эффективность достигается при их совместном использовании.
Мониторинг позволяет получать информацию о фактическом состоянии сооружения. Системы сейсмозащиты уменьшают уровень воздействий на несущие конструкции. Опорные части и деформационные швы обеспечивают корректную работу сооружения при температурных, эксплуатационных и сейсмических перемещениях.
Интегральный мониторинг инженерных сооружений
Мониторинг технического состояния является одним из наиболее эффективных инструментов обеспечения безопасности сооружений.
Практика эксплуатации уникальных объектов показывает, что наиболее достоверная оценка состояния сооружения достигается при использовании интегральных систем мониторинга, объединяющих данные различных измерительных подсистем [3, 5, 10-15].
В состав современных систем мониторинга могут входить:
• подсистема контроля напряженно-деформированного состояния;
• подсистема контроля динамических характеристик;
• подсистема контроля пространственного положения;
• подсистема контроля перемещений;
• подсистема спутникового позиционирования;
• метеорологическая подсистема.
Для оценки напряженно-деформированного состояния конструкций широко используются тензометрические измерения.
Для этого существуют специальные датчики – тензометры. Они измеряют деформацию в определенной точке (зоне) элемента конструкции, и затем, используя закон Гука, определяются напряжения. Деформации, измеряемые на отрезке, называемом базой S, при работе в упругой стадии характеризуются малыми значениями. Тензометрами измеряют абсолютное удлинение (укорочение) ∆S и по ним определяют среднюю относительную деформацию:
– на базе, расположенной по направлению действующего усилия. По полученному значению 
и известному модулю упругости E вычисляют напряжение:
Особую роль в системах мониторинга играет динамический контроль. Анализ собственных частот колебаний сооружения позволяет оценивать изменение жесткости конструкции, выявлять скрытые дефекты и контролировать влияние сейсмических воздействий.
Рис. 1. Пример реализации системы мониторинга инженерного сооружения.
Результаты измерений при «динамическом мониторинге» позволяют выявить скрытые изменения прочностных свойств конструкций. Таким образом, в задачи динамического мониторинга входит следующее:
• определение доминирующих частот свободных колебаний;
• оценка влияния сейсмической активности на динамическую работу сооружения;
• установление уровня влияния транспортных нагрузок на динамические характеристики;
• анализ частот с целью оценки и прогноза изменения технического состояния.
Необходимость решения поставленных в рамках динамического мониторинга задач открывает широкое поле как для исследований самих конструкций с оценкой развития в них скрытых повреждений, так и с точки зрения методик, инструментария и постановки задач мониторинга. И в связи с этим следует отметить, что одной из основных характеристик любой конструкции являются параметры собственных колебаний, представленные в виде набора частот и соответствующих им форм колебаний.
Из динамики сооружений известно уравнение:
(3),
где
C = A×M; A – матрица податливостей системы с n-степенями свободы;
M – диагональная матрица масс;
E – единичная диагональная матрица;
l – собственное значение матрицы С;
– собственный вектор матрицы С.
Современные технологии сейсмозащиты сооружений
Одним из наиболее эффективных способов повышения сейсмостойкости сооружений является применение систем сейсмоизоляции.
Принцип действия сейсмоизоляции заключается в снижении уровня сейсмической энергии, передаваемой от основания сооружения к надземной части конструкции. Это достигается за счет увеличения периода собственных колебаний сооружения и дополнительного рассеивания энергии.
(4),
где:
T – период собственных колебаний сооружения;
M – масса сооружения;
K – горизонтальная жесткость системы сейсмоизоляции.
Увеличение периода собственных колебаний позволяет уменьшить спектральные ускорения и снизить уровень сейсмических воздействий на сооружение.
В настоящее время наибольшее распространение получили следующие типы устройств:
• резинометаллические сейсмоизоляторы;
• резинометаллические опоры со свинцовым сердечником (LRB);
• высокодемпфирующие резиновые опоры (HDRB);
• фрикционные маятниковые системы (FPS);
• вязкостные демпферы;
• шок-трансмиттеры;
• ограничители перемещений.
Использование демпфирующих устройств позволяет дополнительно снижать динамический отклик сооружения.
(5),
где:
F – демпфирующая сила;
C – коэффициент демпфирования;
V – скорость перемещения;
α – показатель степени.
Рис. 2. Шок-трансмиттер производства ООО «К2 Инжиниринг»
Совместная работа систем мониторинга и средств сейсмозащиты
Традиционно системы мониторинга и средства сейсмозащиты рассматриваются как самостоятельные инженерные решения. Однако современный подход предполагает их использование в составе единой системы обеспечения надежности сооружения.
Сейсмоизоляция и демпфирующие устройства позволяют уменьшить ускорения, усилия и перемещения, возникающие в конструкции при динамических воздействиях.
Мониторинг обеспечивает объективную оценку эффективности работы данных систем в процессе эксплуатации.
Контроль ускорений, перемещений, углов поворота и напряженно-деформированного состояния позволяет получать информацию о фактическом поведении сооружения и своевременно выявлять отклонения от проектных параметров [16, 17].
Таким образом, мониторинг выступает не только средством диагностики, но и инструментом подтверждения эффективности применяемых средств сейсмозащиты.
Специальные конструктивные решения для восприятия перемещений
Применение современных систем сейсмоизоляции приводит к увеличению расчетных перемещений сооружения. В связи с этим особое значение приобретают специальные опорные части и деформационные швы.
Современные мостовые сооружения и уникальные объекты гражданского строительства характеризуются значительными температурными, эксплуатационными и сейсмическими перемещениями. Использование типовых решений не всегда позволяет обеспечить требуемую надежность узлов сопряжения.
Для объектов с повышенными требованиями к диапазону перемещений применяются специальные конструкции деформационных швов повышенной несущей способности [18-19].
Оценка прочности таких конструкций выполняется на основании анализа напряженного состояния их элементов.
Максимальные напряжения σmax, действующие в шве, могут быть рассчитаны по следующей формуле:
, (5)
где
М – максимальный изгибающий момент от горизонтальных сил
W – момент сопротивления приведенного поперечного сечения
N – вертикальная сила
A – приведенная площадь сечения
Рис. 3. Общий вид деформационного шва повышенной несущей способности на объекте: «Строительство и реконструкция автомобильной дороги А-289 Краснодар – Славянск-на-Кубани – Темрюк. Мост на ПК 346+30»
Рис. 4. Элемент деформационного шва повышенной несущей способности на объекте: «Строительство и реконструкция автомобильной дороги А-289 Краснодар – Славянск-на-Кубани – Темрюк. Мост на ПК 346+30»
Практический опыт реализации
ООО «К2 Инжиниринг» обладает значительным опытом реализации проектов в области мониторинга сооружений, сейсмозащиты, специальных опорных частей и деформационных швов.
Разработанные технические решения применялись на объектах транспортной и гражданской инфраструктуры Российской Федерации, Республики Казахстан, Республики Узбекистан и Кыргызской Республики.
Среди наиболее значимых объектов следует отметить транспортный переход через Керченский пролив, Западный скоростной диаметр, стадион «Газпром Арена», Лахта Центр, а также ряд объектов транспортной инфраструктуры стран Центральной Азии: объекты транспортного и промышленно-гражданского строительства в Кыргызстане, Узбекистане, Казахстане – суммарно более 100 [3, 8, 18-27].
Практический опыт показывает, что максимальная эффективность достигается при комплексном применении систем мониторинга и средств сейсмозащиты, обеспечивающих как снижение уровня воздействий, так и непрерывный контроль технического состояния сооружения.
Заключение
Современные инженерные сооружения требуют комплексного подхода к обеспечению надежности и безопасности.
Наиболее эффективным решением является совместное использование систем мониторинга технического состояния, устройств сейсмоизоляции, демпфирующих систем, специальных опорных частей и деформационных швов.
Интегральный мониторинг позволяет получать достоверную информацию о фактической работе сооружения и своевременно выявлять изменения его технического состояния.
Средства сейсмозащиты обеспечивают снижение динамических воздействий и повышение устойчивости сооружений к экстремальным нагрузкам.
Практический опыт реализации проектов ООО «К2 Инжиниринг» подтверждает эффективность комплексного подхода при строительстве и эксплуатации технически сложных и уникальных сооружений.
Библиографический список
1. Sumitro S. Structural Health Monitoring System Applications in Japan / S. Sumitro, M.L. Wang. / In: Ansari F. (eds) Sensing Issues in Civil Structural Health Monitoring. Springer, Dordrecht, 2005. – pp. 495-504. https://doi.org/10.1007/1-4020-3661-2_49.
2. Rucker W. Guideline for structural health monitoring. Final report / W. Rucker, F. Hille, R. Rohrmann. SAMCO, Berlin, 2006. – 63 p.
3. Li J and Hao H. Damage detection of shear connectors under moving loads with relative displacement measurements. Mech Syst Signal Pr 2015; 60–61: 124–150.
4. Ana Paula Camargo Larocca , João Olympio De Araújo Neto, Jorge Luiz Alves Trabanco, Augusto César Barros Barbosa, André Luiz Barbosa Nunes Da Cunha, Ricardo Ernesto Schaal. Uso de receptores GPS de 100 HZ na detecção de deflexões verticais milimétricas de pontes de concreto de pequeno porte [The use of GPS at a rate of 100 HZ to detect millimetric vertical deflections of small sized concrete bridges] . Bol. Ciênc. Geod., sec. Artigos, Curitiba, v. 21, no 2, p.290-307, abr-jun, 2015. http://dx.doi.org/10.1590/S1982-21702015000200017
5. Lienhart, W., Ehrhart, M. State of the art of geodetic bridge monitoring Structural Health Monitoring 2015: System Reliability for Verification and Implementation - Proceedings of the 10th International Workshop on Structural Health Monitoring, IWSHM 2015 DOI: 10.12783/SHM2015/58
6. Mosbeh R. Kaloop and Jong Wan Hu. Dynamic Performance Analysis of the Towers of a Long-Span Bridge Based on GPS Monitoring Technique/ Journal of Sensors Volume 2016 (2016), Article ID 7494817, 14 pages http://dx.doi.org/10.1155/2016/7494817
7. Yang Y. Specifications and applications of the technical code for monitoring of building and bridge structures in China. // Y. Yang, Q. S. Li, B. W. Yan. Advances in Mechanical Engineering. – 2017. – Vol. 9 (1). p. 1–10. DOI: 10.1177/1687814016684272.
8. Geoffrey R. Thomas, Akbar A. Khatibi. Durability of structural health monitoring systems under impact loading. Procedia Engineering 188 ( 2017 ) 340 – 347
9. Антонюк А.А., Чижов С.В. Принципы информационного моделирования транспортных сооружений // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 9, №3 (2017) http://naukovedenie.ru/PDF/70TVN317.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
10. Wenzel H. Health monitoring of bridges. / H. Wenzel. Chichester: John Wiley & Sons, 2009. – 621 p.
11. Ященко А.И. От водяного уровня до высокоточного инклинометра // А.И. Ященко. Журнал "Геопрофи", № 4/2010. – М.: Информационное агентство "ГРОМ", 2010 – С. 17 - 19.
12. Яшнов А.Н. Некоторые результаты работы системы динамического мониторинга академического моста через р. Ангару в Иркутске. // А.Н. Яшнов, Т.М. Баранов. Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. – 2017.- №1(60). с. 199-209.
13. Belyi A.A. Structural health and geotechnical monitoring during transport objects construction and maintenance (Saint-Petersburg example). // A.A. Belyi, E.S. Karapetov, Yu. S. Efimenko. Procedia Engineering. – 2017. – Vol. 189. p.145–151. PII:S1877-7058(17)32145-8 DOI:10.1016/j.proeng.2017.05.024
14. Лазарев Ю.Г., Ермошин Н.А., Сенцов И.В. Планирование развития дорожной сети с учетом принципов многокритериальной оптимизации // Путевой Навигатор, №38 (64), 2019 – СПб.: АНП «Объединение «ДОРМОСТ», 2019. – С. 24-31.
15. Белый А.А., Зайцев В.М., Карапетов Э.С. Об эксплуатации усиленных железобетонных мостовых сооружений Санкт-Петербурга // Путевой Навигатор, № 32(58), 2017. –с. 66-73.
16. Коробова О.А. Состояние вопроса мониторинга подземных конструкций на современном этапе // О.А. Коробова, Л.А. Максименко. Интерэкспо гео-сибирь. – 2017, том 3, №2. С. 269-275.
17. Хиллер Б. Исследование автоматизированной системы деформационного мониторинга шлюзовых камер. // Б. Хиллер, Х.К. Ямбаев. Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. – 2016.-№3. С. 33-38.
18. Ефанов Д.В. Функциональный контроль и мониторинг устройств железнодорожной автоматики и телемеханики. Монография. / Д.В. Ефанов – СПб.: ФГБОУ ВО ПГУПС, 2016. – 171 с.
19. Хиллер Б. Цифровые инклинометры в системах автоматизированного геодезического мониторинга деформаций // Б. Хиллер. Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка, №6, 2015. – М.: Московский государственный университет геодезии и картографии, 2015. – С. 23-30.
20. Ефанов Д.В. Организация непрерывного мониторинга углов наклона опор железнодорожной контактной сети // Д.В. Ефанов, Г.В. Осадчий, Д.В. Седых, Д.В. Барч. // Транспорт Урала. – 2017. – №:2 (53) с: 37-41 DOI: 10.20291/1815-9400-2017-2-37-41
21. Брынь М.Я. Геодезический мониторинг деформаций вантовых мостов на основе спутниковых технологий. // М.Я. Брынь, Е.Г. Толстов, А.А. Никитчин, Б. Резник, А.И. Ященко, О.В. Евстафьев, В.А. Кучумов. – 2009. «Известия Петербургского Университета Путей Сообщения», выпуск 2(19)/– СПб.: ПГУПС, 2009 – с.120-128.
22. Сырков А.В. Оптимизация жизненного цикла моста на остров Русский во Владивостоке средствами анализа рисков и мониторинга // А.В. Сырков, О.В. Крутиков. Автоматизация в промышленности. – 2012. - №9. С. 45-50.
23. Белый А.А., Белов А.А., Осадчий Г.В., Долинский К.Ю. Концепция мониторинга искусственных сооружений Санкт-Петербурга // Журнал «Дороги. Инновации в строительстве», № 71/2018 – СПб.: ООО «Центр технической информации «ТехИнформ», 2018 – с. 58-62.
24. Белый А. А., Белов А. А., Осадчий Г. В., Осетинский О. В., Долинский К. Ю // Автоматика на транспорте, №3, том 4, 2018 – СПб.: ФГБОУ ВО ПГУПС, 2018. – С. 380-406.
25. Карапетов Э.С., Белый А.А. Мониторинг мостовых сооружений Санкт-Петербурга. История. Назначение. Примеры. Перспективы // «Вестник «Зодчий. 21 век», № 4(29)/2008 – СПб: Изд-во «Зодчий», 2008. – С. 80-83.
26. Федеральный закон ФЗ № 384 "Технический регламент о безопасности зданий и сооружений", 30.12.2009 г.
27. Andrei Belyi, German Osadchy, Kirill Dolinskiy. Practical Recommendations for Controlling of Angular Displacements of High-Rise and Large Span Elements of Civil Structures // Proceedings of IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS’2018) – pp. 176-183. DOI 10.1109/EWDTS.2018.8524743