Любое здание подвергается воздействию множества внешних сил. Перепады температуры и влажности, напор ветра, давление масс снега, неоднородность почвы и ее изменение с течением времени. На небоскребы с их размерами, массой и сложностью конструкции, это влияние возрастает многократно.
Возникновение деформаций, зон повышенного напряжения конструкции опасно даже для небольших коттеджей, что уж говорить о небоскребах, где последствия незамеченных изменений в конструктиве несоизмеримо более критичны.
Поэтому во всех современных высотных зданиях применяются системы мониторинга деформаций, предполагающие использование целого комплекса инструментов контроля.
Лупа в этот инструментарий, конечно, не входит, зато входит множество датчиков. В Лахта Центре их порядка 3 тысяч, и расположены они во всех ключевых конструкционных элементах всех сооружений комплекса.
Самая многочисленная группа – тензометры, находящиеся на переднем крае деформационной обороны. Это одни из самых надежных и долговечных, а потому и распространенных датчиков, которые используются для измерения деформаций и напряжений. Все дело в простоте конструкции.
По сути, тензометр — это просто отрезок высокопрочной стальной проволоки — струны, натянутой внутри полой металлической трубки между двумя концевыми блоками. При деформации конструкции расстояние между концевыми блоками меняется, вместе с ним изменяется сила натяжения струны и, соответственно, частота колебаний. Смена состояния преобразуется в цифровые сигналы, которые через мультиплексоры и даталоггеры (регистраторы данных) передаются в систему мониторинга.
Тензометрические датчики приварены к металлическим балкам, залиты в бетон, а отсутствие возможности их обслуживания компенсируется многократным резервом количества. Он установлены даже в шахты ниже свайного поля до геодезических отметок минус 100 м.
Кликабельно
Сигнал с каждого из порядка 2,5 тыс. тензометрических датчиков Лахта Центра передается в систему мониторинга, и даже выход из строя отдельных тензометров — хотя особо там ломаться нечему — не особо отразится на точности общей картины состояния сооружения.
Кликабельно
Информация с тензометров аккумулируется раз в час и передается на сервер раз в шесть часов. Этого более чем достаточно для такого вялотекущего по своей природе процесса как деформация. Совсем другое дело колебания зданий – это процесс быстрый, непрерывный, а по изменению характеристик колебания также можно выявить изменения в конструкциях. Для этого через каждые несколько этажей башни Лахта Центра организованы контрольные пункты, оснащенные акселерометрами – измерителями колебаний.
Устройство простейшего акселерометра. Груз закреплён на пружине. Демпфер подавляет колебания груза. Чем больше кажущееся ускорение, тем сильнее деформируется пружина, изменяя показания прибора
На основе измерений строится амплитудно-частотная характеристика конструктивных элементов здания, а отклонение от нормы частоты или амплитуды – сигнал о том, что что-то пошло не так.
Еще один тип датчиков – инклинометры, — измеряют угол наклона конструктивного элемента, на котором установлены.
Современный измерительный комплекс установлен в шпиле башни Лахта Центра. С помощью GNSS-станции отслеживается положение шпиля в двумерной системе координат: спутник, грубо говоря, снимает рисунок, который башня рисует шпилем в зависимости от силы и направления ветра.
Кликабельно
Метеостанция, в свою очередь, будет оценивать зависимость состояния конструкции от показаний влажности, температуры, скорости и направления ветра.
Кликабельно
Тахеометр, установленный на арке, по реперной точке измеряет лазером угол наклона и расстояние, смещение которых в какую-либо сторону может говорить об изменении в расположении сооружения, например, из-за осадки.
Но главная фишка автоматизированной системы мониторинга инженерных конструкций Лахта Центра,– не в разнообразии и количестве датчиков. Датчиками напичкано любое современное высотное здание, и в Burj Khalifa их не меньше. А вот система анализа поступающей с измерителей информации в петербургском супертолле по-настоящему уникальна. Она основана на постоянном сравнении реальной картины состояния зданий Лахта Центра, основанной на показаниях датчиков, с прогнозируемыми значениями деформаций.
Расчет напряженно-деформированного состояния конструкций выполняется на базе сертифицированного программного пакета моделирования конструкций на основе метода конечных элементов FEM-models компании ООО «ПИ Геореконструкция».
Расчетная модель зданий создается совместно с учетом фундамента и основания (массива грунта), так как подземная и надземная части здания работают совместно, взаимно влияя друг на друга. Для создания расчетной модели здания конечные элементы системы наделяются свойствами реальных материалов с точно заданными текущими механическими параметрами.
FEM-модель строится с использованием проектной 3D-модели (BIM) с учетом реальной геометрии здания, которая может корректироваться в процессе строительства и эксплуатации. То есть, в интерактивной модели уточнена исходная BIM-модель и заложены характеристики реальных материалов, из которых изготовлен каждый элемент — класс бетона, толщины перекрытий, сечения балок и т.п.
Владимир Лукин, руководитель направления по железобетонным конструкциям Лахта Центра, курирует создание проекта системы мониторинга комплекса Лахта Центр:
— Сопоставление данных мониторинга с интерактивной конечно-элементной моделью дает возможность управлять параметрами модели, а именно: изменять конструктивную схему в соответствии с ходом возведения здания, изменять параметры материалов и конструкций в соответствии с исполнительной документацией, изменять величину нагрузок в соответствии с реальной картиной нагружения конструкций. Таким образом, конечно-элементная модель зданий адаптируется по мере изменения внешних условий и выдает прогнозы все более приближенные к реальным значениям, фиксируемым датчиками мониторинга.
На основе проведенного расчета конструкций в программной среде проверяются все возможные версии развития деформаций. Таким образом находятся аварийные границы показаний датчиков, сценарии и алгоритмы развития деформаций, выполняется разработка критериев оценки реального технического состояния — устойчивости, остаточного ресурса и долговечности, в соответствии с показаниями датчиков мониторинга конструкций. Критерии оценки включают в себя абсолютные и относительные отклонения конструкций, учитывают поведение здания как единого целого.
Дмитрий Бабичев, руководитель проекта компании «Телрос»:
— Материалы, из которых построено здание, всегда имеют отличия от тех, что закладывались в конструкторской модели. Что, в свою очередь, влияет и на отклонения реальных нагрузок от расчетных. Математическая модель, которая используется в автоматизированной системе мониторинга состояния инженерных конструкций Лахта Центра – это модель реального объекта. И исходя из анализа показаний датчиков уже можно констатировать, что этот реальный объект оказался даже гораздо более жестким, чем проектная модель, и так построенная с более чем серьезным запасом прочности.
Схема размещения измерительного оборудования на трехмерной расчетной схеме
FEM-модель — это настоящий цифровой двойник. Такой же, как, например, digital twins космических кораблей, которые используют в NASA, чтобы моделировать ситуации, происходящие в космосе. Ведь там сбор информации с датчиков при помощи телеметрии — тоже единственный способ контролировать ситуацию, выявлять неполадки, и, проанализировав и смоделировав на земле происходящее на орбите, искать возможные способы решения проблем.
Система мониторинга деформаций Лахта Центра отслеживает состояние несущих конструкций в режиме реального времени с частотой опроса до тысячи показаний в секунду, накапливает статистику практически с самого начала строительства здания, контролирует изменения по мере увеличения нагрузки и продолжит это делать во время эксплуатации. Более того, систему можно обучать и за счет этого автоматически изменять модель здания с учетом фактических показаний датчиков.
Провода от первых датчики в сваях — они были установлены в самом начале строительства
Еще одно отличие системы мониторинга, использующейся в Лахта Центре, от аналогов в других небоскребах – наличие не только аварийной границы деформации элементов здания, но и предупредительной. На основе той же математической модели с учетом реального состояния здания строится область допустимых значений, в которых нет отклонений от прогнозных показателей, и предупредительная область, которая с точки зрения СНиПа еще далека от аварийного состояния, но выход в нее – это уже повод для принятия управленческих решений.
Желтая зона – предупредительное отклонение от прогнозных значений, красная – аварийное
Несмотря на то, что все данные, поступающие с датчиков, анализируются в автоматическом режиме, решения принимают люди. Диспетчер при поступлении тревожного сигнала сообщает об этом дежурному, который проводит визуальный осмотр, делает фотографию, привязанную в системе к нужной точке и готовит отчет. Этот отчет анализирует инженер-конструктор и принимает решение о перерасчете FEM-модели, если причины изменения параметров некритичны, и связаны, например с естественной и прогнозируемой осадкой здания. В противном случае оповещение получает главный инженер, который может принять решение даже об эвакуации. Но, учитывая запас прочности Лахта Центра, для развития такого сценария требуется внешнее воздействие на уровне шестибалльного землетрясения. Сигнал о приближении к аварийной границе развития деформаций автоматически передается в службы МЧС.
Автор: makev
