Анализ современных подходов к мониторингу технического состояния зданий и сооружений

Одним из факторов, отражающих принципы современного строительства, является стремление к обеспечению безопасности как во время возведения здания, так и в период его эксплуатации. Объект должен быть спроектирован с учётом современных норм и требований к строительству и соответствовать им в течение всего расчётного срока службы, что требует развития систем контроля технического состояния зданий и сооружений, позволяющую своевременно реагировать на возникающие проблемы и предотвращать аварийные ситуации.

В последнее время на территории нашей страны распространено строительство зданий и сооружений, отличающихся нестандартными объёмно-планировочными и конструктивными решениями, выполненных из новых материалов с применением современных технологий. Зачастую оказывается так, что уже в течение нескольких лет после введения объектов в эксплуатацию обнаруживаются дефекты и повреждения, которые приводят к значительному снижению их долговечности. В связи с этим возникает необходимость в систематическом наблюдении и контроле технического состояния строительных конструкций с целью уменьшения негативных последствий.

Одним из инструментов, используемых с целью поддержания необходимой надежности, функциональности и долговечности строительных изделий, конструкций, зданий и сооружений, является мониторинг. Мониторинг - специально организованная система непрерывного контроля и наблюдения за текущим состоянием объекта и его изменением в течение времени [1]. Основное преимущество мониторинга по сравнению с другими методами обследования зданий и сооружений проявляется в том, что в процессе наблюдения возможно отследить деформации объекта, либо его отдельных конструктивных элементов и, как следствие, предотвратить наступление негативных последствий. Использование систем мониторинга также помогает достичь таких результатов, как [2]:

• -    минимизация человеческого фактора при оценке технического состояния объекта;

• -    повышение уровня эксплуатационной безопасности, достигаемое за счет использования современных систем, позволяющих в реальном масштабе времени получать информацию об изменении технического состояния здания;

• -    использование специализированного интеллектуального программного оснащения систем мониторинга на базе современных информационных технологий , разработанных с учетом результатов предварительных натурных испытаний, теоретических расчётов и моделирования;

• -    сокращение времени обследования и др.

Для осуществления контроля и диагностики технического состояния зданий и сооружений рекомендуется [2] устанавливать автоматизированную цифровую систему модульного типа с распределённой обработкой данных, осуществляющую передачу полученной информации по цифровой линии связи на центральную вычислительную станцию. Данная система позволяет передавать необходимые данные с сенсорных измерительных узлов на большие расстояния без искажения и потерь во времени. Информация, полученная от измерительных узлов системы мониторинга, в полном объёме хранится в памяти объектовой информационно-вычислительной станции в течение некоторого срока, достаточного для комплексного анализа данных и выявления мест накопления повреждений. По истечению этого срока первичная информация, равно как и результаты анализа данных, переносятся на съёмные носители для последующего долговременного хранения. При этом в памяти объектовой информационно-вычислительной станции остаются только обобщённые результаты мониторинга за весь период эксплуатации объекта [2].

В зависимости от вида здания, типа и материала конструкций и технических задач системы мониторинга, как способ неразрушающего контроля основных несущих конструкций, классифицируются по выбранному методу сбора информации:

• –    метод акустической эмиссии, основанный на регистрации упругого энерговыделения при разрушении и деформации материалов. Использование данного метода позволяет обнаруживать дефекты, развивающиеся в процессе эксплуатации конструкций, устанавливать их характер, местоположение и степень опасности;

• –    измерение напряженного состояния и перемещений элементов конструкций, возникающих в ходе эксплуатации здания, что позволяет контролировать положение и нарастание деформаций конструктивных элементов;

• –    анализ собственных частот основных форм колебаний элементов конструкций, позволяющий оценивать текущее состояние несущих конструкций и выделять из них конструкции, наиболее подверженные влиянию разрушающих факторов.

В период эксплуатации необходимо регулярное наблюдение за состоянием грунтового массива, контактирующего с фундаментом и другими конструкциями зданий или сооружений, активностью негативных геологических процессов. При мониторинге геологических процессов необходимо получать информацию о вертикальных и горизонтальных перемещениях грунтов, напряжённо-деформированном состоянии в местах контакта конструкций с грунтовым массивом и сейсмических воздействиях [3].

Система геотехнического мониторинга – одна из важнейших частей комплекса осуществления безопасности любых строительных объектов, которая должна входить в стационарную станцию. Наблюдение и сбор данных осуществляется с помощью автоматизированных средств наблюдения (датчиков) с использованием беспроводных технологий, например, по спутниковым системам [4].

При создании данной системы по периметру строительного объекта и на отдельных его конструктивных элементах размещают высокоточные приёмники. Помимо этого, создаётся опорная сеть на основе базовых станций. В условиях современных реалий необходимо обращать внимание на оборудование отечественного производителя. Так, например, приёмник 4GNSS DEKART российской компании ГК «Ориент Системс» не уступает зарубежным аналогам по техническим характеристикам. К тому же он является более доступным по цене в отличие от приёмников иностранных компаний. Кроме того, существует возможность проведения быстрого ремонта или замены приёмника в случае выхода его их строя. Технические параметры данной системы указаны в таблице 1. Отечественный приёмник отличается более высокой точностью и большим диапазоном рабочих температур.

Таблица 1

Технические характеристики приёмника 4GNSS DEKART [5]

Технические характеристики	Фактические значения
Число каналов	574 канала (GPS: L1 C/A, L1/L2 P, L5; BeiDou: B1, B2, B3; GLONASS: L1, L2; Galileo: E1, E5a, E5b)
Точность при DGPS-съёмке	< 0,4 м 3D СКО
Точность при статической съёмке	в плане 2,5 мм + 0,5 мм/км по высоте 5 мм + 0,5 мм/км
Точность при RTK-съёмке	в плане 8 мм + 1 мм/км по высоте 15 мм + 1 мм/км
Рабочая температура, ℃	-40…+80

Определяя координаты контрольных точек и сопоставляя результаты измерений, возможно проанализировать изменение пространственного положения объекта и его конструктивных элементов относительно друг друга. Также необходимо постоянное владение информацией о перемещениях грунта (аналогично системе мониторинга изменения пространственного положения здания), но с размещением приёмников непосредственно на поверхности грунта или на торцевом конце анкера и наблюдением в автоматическом режиме при помощи стационарных инклиометрических систем [3].

При этом следует отметить целесообразность применения российских беспроводных инклинометров ИН-ДЗ LoRaWAN, работающих по протоколу LoRaWAN (подключенных к собственной базовой станции), позволяющих определять угловые подвижки объекта мониторинга в местах, где расположение проводных каналов связи и питания датчиков невозможно или нецелесообразно [6]. Данные измерений могут регистрироваться и анализироваться непрерывно в специальном программном модуле или сохраняться в течение некоторого времени во внутренней памяти автоматического регистратора для дальнейшей обработки. Технические параметры данной системы указаны в таблице 2.

Таблица 2

Технические характеристики инклинометра ИН-ДЗ LoRaWAN [6]

Технические характеристики	Фактические значения
Пределы допускаемой основной относительной погрешности измерений угла, % от диапазона	± 0,5
Фактическое значение основной погрешности, % от диапазона измерений	0,15 0,1
Средний срок службы, лет	15
Рабочая температура, ℃	-50…+60

Устройство системы датчиков возможно двумя способами:

• –    установка собственной базовой станции LoRaWAN, которая подключается к Internet (при этом затраты по созданию собственного покрытия радиосети LoRaWAN минимальны);

• –    подключение инклинометров ИН-Д3 LoRaWAN к сети операторов связи LPWAN и использование их инфраструктуры.

Также необходимо систематическое наблюдение за состоянием и изменениями гидрогеологических параметров. Для измерения уровня жидкости в грунтах в организованных наблюдательных скважинах, порового давления при проведении геотехнического мониторинга на этапе строительства и эксплуатации могут использоваться различные виды пьезометров [3]. Так, например, пьезометр PLLG-D01 является целесообразным вариантом за счёт наличия цифрового выхода RS-485, который позволяет подключать большое количество датчиков на одну измерительную линию на расстояния до 800 м [7]. Технические параметры пьезометра указаны в таблице 3. Также отличительной особенностью является возможность организации беспроводного подключения к сети, работающей по вышеупомянутой технологии LoRaWAN.

Таблица 3

Технические характеристики пьезометра PLLG-D01 [7]

Технические характеристики	Фактические значения
Диапазон измерений избыточного давления, Бар	0,1	0,3	1	3	10	20
Диапазон измерений уровня водяного столба в открытой скважине, м	1	3	10	30	100	200
Предел допускаемой приведенной основной погрешности измерений избыточного давления, %	±0,1
Рабочая температура, ℃	-60…+120

Сравним данную модель с зарубежным аналогом – пьезометром от одной из самых высокотехнологичных корейских компаний в этой сфере Sungjin Geotec (марка модели SJ-4000). Датчик имеет цилиндрический корпус из нержавеющей стали, на конце которого расположен пористый фильтр. Вода проходит через фильтр и оказывает давление на мембрану, которая передает воздействие на струну, увеличивая или уменьшая ее натяжение. Две электромагнитные катушки, находящиеся внутри датчика, производят возбуждение струны и считывание с нее резонансной частоты колебаний. Считанный сигнал обрабатывается с помощью дата-логгера. Технические параметры пьезометра указаны в таблице 4.

Российский пьезометр отличается более высокой точностью и большим диапазоном измерений и рабочих температур и не уступает корейскому аналогу в точности.

Таблица 4

Технические характеристики пьезометра SJ-4000 [8]

Технические характеристики	Фактические значения
Диапазон измерений, кПа	350
Максимальное давление,%	150
Точность,%	±0,1
Рабочая температура, ℃	-40…+80
Точность измерения температуры, ℃	±1

При учёте динамики развития напряжений в конструкциях лучшим технологическим решением является применение тензометрических датчиков [3], например, российского закладного тензометра SVWG-EC [9]. С его помощью возможно получение информации о напряжениях и деформациях в несущих бетонных строительных конструкциях и мониторинг напряжённого-деформированного состояния конструктивных элементов. Закладные тензометры крепятся вязальной проволокой к арматурному каркасу во взаимно перпендикулярных направлениях перед заливкой бетона. Впоследствии напряжения растяжения и сжатия бетонного массива передаются на тензометр с помощью закладных якорей. Технические параметры тензометра указаны в таблице 5.

Таблица 5

Технические характеристики тензометра SVWG-EC [9]

Технические характеристики	Фактические значения
Диапазон измерений, мкм/м	0…3300
Диапазон изменения частоты колебания струны, Гц, ±20%	500-2000
Основная приведенная погрешность, % от диапазона	±1
Рабочая температура, ℃	-50…+60

Проведенный анализ позволяет сделать следующие выводы:

• 1.    Развитие систем мониторинга необходимо для достижения общей безопасности здания за счёт систематического наблюдения и прогнозирования рисков, вида и скорости развития разрушений, превышающих технические возможности объекта;

• 2.    Для обеспечения всестороннего контроля за состоянием здания или сооружения необходимо использовать комплекс измерительных приборов, способных контролировать различные показатели как конструктивных элементов, так и грунтового массива. Такой подход позволит получать точную и подробную информацию о состоянии объекта путем анализа данных, полученных от различных типов датчиков;

• 3.    Наиболее целесообразно размещение систем мониторинга в грунтовый массив и конструктивные элементы, расположенные ниже уровня поверхности грунта, что позволит следить за состоянием наименее доступной и наиболее нагруженной части здания;

• 4.    Необходимо развитие отечественных систем мониторинга, в качестве замены зарубежным компаниям, ушедшим с российского рынка.