bigpo.ru
добавить свой файл
1
УДК 528.48 И.Г. Гайрабеков

диагностика ТЕХНИЧЕСКого состояния ЗДАНИЙ
НА ОСНОВЕ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

Во все времена, вне зависимости от политической системы и государственного строя, одной из важнейших задач жилищно-коммунального хозяйства страны являлось обеспечение надежности эксплуатируемых зданий и сооружений. Сегодня эта задача не только не утратила своей значимости, а, напротив, приобрела еще большую актуальность.

Одной из важнейших составляющих комплекса мероприятий по обеспечению эксплуатационной надежности зданий и сооружений является мониторинг за их техническим состоянием. Техническое состояние зданий и сооружений определяется несколькими группами параметров, важнейшей из которых является группа геометрических характеристик. Рассматривая геометрические характеристики здания, выделим в свою очередь, как наиболее значимые для технического состояния, деформационные.

Под деформационными характеристиками будем понимать всякое изменение геометрических параметров (угловых, линейных) здания от их начальных значений. При этом выделим две группы геометрических параметров, первая из которых характеризует пространственное положение всего здания в топоцентрической системе координат (см. рис.1-а), вторая - взаимное расположение его строительных элементов (см. рис.1-б).

В общем случае техническое состояние здания определяется в результате его обследования, осуществляемого в два этапа.

Первым этапом является предварительное обследование.

При выполнении предварительных обследований оценивается общее техническое состояние объекта. Определяют наличие трещин и разломов. Определяют уменьшение площадок опирания строительных конструкций, взаимные сдвиги строительных конструкций, перекосы строительных конструкций.

При выполнении визуальных обследований используют измерительные приборы типа рулетка, линейка, штангенциркуль, глубиномер и, кроме того, в последние годы широко используют цифровые фотоаппараты.

На этом же этапе организуется мониторинг за развитием трещин и разломов. Это мероприятие организуют таким образом, что первоначально составляется схема фасадов здания. На схему фасадов наносятся трещины с сохранением их вида и направления развития. Затем измеряются длина трещины, ее глубина и максимальное раскрытие. Мониторинг за развитием трещин осуществляют путем установки маяков той или иной конструкции и периодического их контроля.

При предварительных обследованиях сооружения формируется приближенное представление об его техническом состоянии и представление о необходимом объеме выполнения инструментальных исследований.

Вторым этапом является инструментальное обследование здания.

Основными задачами, решаемыми на этом этапе, являются:

  • определение реального напряженно-деформированного состояния здания с формированием заключения о возможности его эксплуатации;

  • определение причин, следствием которых является данное напряженно-деформированное состояние здания;

  • разработка рекомендаций и мероприятий по восстановлению эксплуатационной надежности здания и устранение или уменьшение влияния негативных факторов.







Современные методы диагностики зданий, в том числе основаны на реализации геодезических технологий, обеспечивающих определение и анализ их полной геометрии. При этом основными задачами геодезических исследований являются:

  1. Определение локальных деформаций земной поверхности района размещения здания, их вертикальных и горизонтальных составляющих векторов перемещений.

  2. Определение параметров пространственной геометрии и деформаций внутренней геометрии зданий:

а) осадки основания;

б) горизонтальных сдвижек здания;

в) крены здания в целом или его отдельных конструктивных элементов;

г) прямолинейность здания по заданным сечениям;

д) скручивание (закручивание) здания в целом или его частей;

е) кручение здания в целом или его частей относительно друг друга;

ж) сплошное распределение деформационных характеристик (прогибов, выгибов, скручивания) по строительным конструкциям здания;

з) прогнозирование изменения деформационных геометрических параметров в расчетный период.

В зависимости от типа здания в комплекс геодезических работ по определению полной геометрии исследуемого здания включаются:

  1. обмеры линейно-угловых как внутренних, так и габаритных параметров здания (продольные и поперечные размеры в нижнем сечении, угловое расположение стен, высоты объекта и т.д.);

  2. определение частных кренов ребер здания и определение кренов стен по заданным сечениям;

  3. определение кренов стен по заданным сечениям;

  4. определение прямолинейности стен в нижнем сечении;

  5. определение горизонтального сдвига здания;

  6. определение принадлежности исследуемых точек характерного сечения (или сечений) некоторой горизонтальной поверхности, приведенной к перекрытию цоколя.

Или выполняется комплекс работ по формированию цифровой (математической) модели в единой топоцентрической системе координат реальной формы здания.

В результате обработки полученной информации определяют:

- комплексные геометрические параметры здания;

- общие геометрические характеристики;

- частные геометрические характеристики.

Комплексные геометрические параметры


1. Коэффициент жесткости Kж (пластичности) сооружения

Kж = 1/Kп.

Коэффициент жесткости является основным классифицирующим для зданий по их типу и, как следствие, определяет группы соответствующих допустимых величин деформаций как отдельных строительных конструкций, так и зданий в целом.

2.Коэффициент однородности геометрии Kо здания.

Коэффициент однородности геометрии определяет в общем виде изменение начальной формы здания.

, (1)

qxср =( qxi)/n, qyср =( qyi)/n,

qxi = qxi - qxср , qyi = qyi - qyср ,

где qxi, qyi – частные крены строительных элементов здания.

  1. Коэффициент устойчивости Ку здания.

Коэффициент устойчивости здания определяет его общую пространственную геометрию в топоцентрической системе координат.

При У/Х>(qxсоор./qyсоор) Ку=qxсоор; в случае У/Х<(qxсоор./qyсоор) Ку = qусоор/У.

Общие геометрические характеристики


Перечень геометрических характеристик, включенных в общую геометрию:

  1. Sабс - абсолютная (общая) осадка, Sр - равномерная осадка, S - неравномерная осадка,
    Sср - средняя осадка, Sпр - просадка, hнаб - подъем основания при набухании грунта;

  1. i - относительный крен, Q - абсолютный (общий) крен, - угол ориентирования абсолютного крена здания, qx,y - частные крены ребер здания и его стен по заданным сечениям;

  2.  - относительный угол скручивания ребра здания,  - угол скручивания стены здания,  - угол скручивания здания в целом,  - угол взаимного кручения частей здания друг относительно друга,  - угол кручения всего здания,  - перекосы строительных конструкций;

  3. r - радиус кривизны изгибаемого участка;  (%) - абсолютная (относительная) величина условного сжатия стен здания;  - величина раскрытия трещин (разломов).

Из выше перечисленных параметров пространственную геометрию здания характеризуют: абсолютный (общий) крен, угол ориентирования абсолютного крена, средняя осадка, угол скручивания всего здания, угол кручения здания.

Внутреннюю геометрию характеризуют: абсолютные, равномерные и неравномерные осадки исследуемых точек здания, углы скручивания ребер здания и его отдельных частей, угол взаимного кручения частей здания друг относительно друга; абсолютное (относительное) условное сжатие стен, перекосы строительных конструкций, радиусы кривизны изгибаемого участка.

При выполнении полевых работ и обработки полученных данных используют известное правило оцифровки ребер исследуемого здания, показанного на рис.2. Кроме того, используют правила знаков декартовой системы координат и системы координат здания, когда параметры, увеличивающие его размеры принимаются положительными, а параметры, уменьшающие размеры – отрицательными.




При обработке полевых результатов измерений получают нижеследующие материалы и данные.

Итоговыми материалами по определению осадок зданий согласно нормативной документации являются:

  1. схема расположения исходного геодезического обоснования;

  2. каталоги отметок высотной геодезической сети;

  3. оценка устойчивости реперов;

  4. схема размещения грунтовых реперов и осадочных марок;

  5. ведомость осадочных марок;

  6. поцикловые уравненные отметки со сравнением их между смежными циклами и с первым циклом наблюдений;

  7. плановая схема сооружения с линиями равных осадок и эпюрами осадок;

  8. графики скоростей и ускорений осадок марок.

При обработке материалов по определению осадок зданий также вычисляют уклоны и перекосы фундаментов.

I12 = h12/l12= (S1 - S2)/l12.

Итоговым материалом по определению кренов здания является схема депланации (см. рис.3) и параметры его фактических геометрических характеристик (см.табл.). Депланация - это проекция верхнего горизонтального сечения здания на нижнее сечение. Депланация строится по величинам измеренных частных кренов qx, qy. Кроме того, на нее наносятся абсолютные (полные) крены ребер здания или иных его строительных конструкций, вычисляемые по известной формуле

Q = ( qx2 + qy2)1/2.

Угол ориентирования абсолютного крена

= arctg (qx/qy).

Относительный крен

i = Q/H,

где H - высота здания.


Результаты полевых работ и вычисленные величины заносятся в таблицу (см. табл.). При этом вычисления 13, 14, 15, 16 колонок таблицы осуществляют с соблюдением правила знаков здания. Затем последовательно вычисляют общий крен Qз здания и угол з его ориентирования.

Условное сжатие (удлинение) вычисляется по формуле

i = qх,у(по стороне) , (2)

i% = i/L,

где L - габаритный линейный размер стены в нижнем горизонтальном сечении.


Фактические геометрические характеристики здания



п/п

Координаты

Крены ребер

i

Qз

з

i

i%

i

i

i

i

x

y

qx

qx

qy

qy

Qi

i

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

1

x1

y1

qx1

qx1

qy1

qy1

Q1

1

i1



Qз

i з



з

1-2

1-2%

1

1-2

(1-2)-(3-4)



зд


2

x2

y2

qx2

qx2

qy2

qy2

Q2

2

i2

2-3

2-3%

2

2-3

(2-3)-(4-1)

3

x3

y3

qx3

qx3

qy3

qy3

Q3

3

i3

3-4

3-4%

3

3-4




4

x4

y4

qx4

qx4

qy4

qy4

Q4

4

i4

4-1

4-1%

4

4-1

Ср.







qx




qy



































Углы скручивания ребер определяются согласно

tg () = (X*qy - Y*qx)/(X2+Y2+X*qx+Y*qy). (3)

Скручивание стен вычисляется по формуле

tgij = (qxi + qxj)/(Lij + qyi + qyj). (4)

Угол взаимного кручения частей сооружения друг относительно друга определяется

= i - j. (5)

При выполнении анализа деформаций здания необходимо сопоставить направление углов скручивания ребер, стен и величин сжатия по стороне.

Угол скручивания сооружения (здания) вычисляется по формуле

= /n /n. (6)
Частные геометрические характеристики

К частным геометрическим характеристикам относятся амплитуды, т.е. линейные величины, характеризующие стрелы прогибов отдельных строительных конструкций. Симметричной амплитудой называется величина, полученная при условии равенства расстояний li-1 = li+1, если данные значения не равны, то такая амплитуда называется несимметричной.

Симметричная амплитуда вычисляется:

Ai = [(i-1 + i+1)/2] - i.

Несимметричная амплитуда вычисляется:

.

По величинам амплитуд можно вычислить радиус изгибаемого участка, угол излома сооружения и, кроме того, совокупный анализ амплитуд дает представление о деформациях отдельных строительных конструкций и поверхностей сооружения в целом.

Радиус кривизны изгибаемого участка при li-1 = li+1 = li определится

ri = (l2(i-1)-i + Ai2)/2Ai. (7)

Для любой внутренней точки исследуемой поверхности будут получены продольная, поперечная и две диагональных амплитуды. Для точек, расположенных на границе исследуемой поверхности, будут получены амплитуды, расположенные вдоль ее габарита. Интерполируя величины однородных амплитуд (продольных, поперечных, диагональных), определяют положение линий равных деформаций. При этом интерполирование выполняется раздельно по продольным и поперечным амплитудам.







Эта работа проводится по каждой наружной стене и условной деформационной поверхности, приведенной к перекрытию цоколя. При составлении комплексной картограммы амплитуд по зданию формируют графическое отображение деформированного его состояния, выраженного линейными параметрами.

Картограммы амплитуд могут быть дополнены информацией, полученной в результате контроля горизонтальности поясов и поверхностей, совпадающих с этажными перекрытиями здания. Имея результаты нивелирования, приведенные к единой горизонтальной поверхности, выполняют регрессионный анализ локализованных зон однородных деформаций и определяют продольные и поперечные уклоны. При этом результаты нивелирования совмещают с сечениями, для которых определялись крены здания.

Коэффициенты уравнения регрессии вычисляют согласно известных формул:

А = (xiyi - xiyi)/[(xi)2 - nxi2];

К = (yi - Аxi)/n.

По результатам всего комплекса выполненных работ формируется заключение о техническом состоянии здания.
Комплексную оценку технического состояния здания начинают с оформления таблицы, характеризующей полную геометрию сооружения (см. табл.). После заполнения таблицы вычисляют амплитуды по фасадам сооружения. Затем вычисляют не нормированные допустимые геометрические характеристики, при этом в качестве исходных параметров принимают СНиПовские (крен, перекосы, равномерные и неравномерные осадки).

Из сопоставления реальных геометрических характеристик и допустимых, делают вывод о техническом состоянии объекта.

Определены четыре группы технического состояния зданий: расчетно-эксплуатационный режим; допустимый эксплуатационный режим; предаварийное состояние; аварийное состояние.

1. Расчетно-эксплуатационный режим - это такое состояние сооружения, когда все геометрические параметры находятся в зонах проектных значений допуска.

2. Допустимый эксплуатационный режим - это такое состояние сооружения, когда некоторые геометрические параметры выходят за пределы требований СНиП, но они носят случайных характер. На сооружениях отсутствуют трещины. Допускается наличие трещин недеформационного характера.

3. Предаварийное состояние - это когда имеются трещины и разломы явного деформационного характера, когда геометрические параметры выходят за пределы требований СНиП, но при этом не наблюдается уменьшение площадок опирания строительных конструкций более чем на 2 см. Несущие конструкции сооружения не имеют трещин и разломов.

4. Аварийное состояние - это когда геометрические параметры превышают требования СНиП в несколько раз. Когда площадки опирания уменьшаются более чем на 2 см. Когда несущие конструкции сооружения имеют трещины и разломы.