Ім'я файлу: ЖИТТЄВИЙ ЦИКЛ СПОРУД1.docx
Розширення: docx
Розмір: 1343кб.
Дата: 09.12.2020
скачати
Пов'язані файли:
LEKZ_7_2016.doc
Розширення: docx
Розмір: 1343кб.
Дата: 09.12.2020
скачати
Пов'язані файли:
LEKZ_7_2016.doc
1.1 Життєвий цикл споруди
Життєвий цикл споруди – це час від моменту обґрунтування необхідності її зведення до настання економічної недоцільності її подальшої експлуатації. Він поділяється на наступні етапи: вишукувальні та проектні роботи, підготовчий період, нульовий цикл, зведення наземної частини, експлуатація, період фізичного і морального зносу. Рішення про неможливість подальшої експлуатації об’єкту станом приймають за результатами відповідних обґрунтувань. Це ідеальний плановий сценарій життєвого циклу споруди, який, на жаль, не завжди вдається реалізувати.
По-перше, сучасний стан будівельного комплексу характеризується високими темпами виконання робіт, значною кількістю зведених будинків, що мають унікальні архітектурно-планувальні рішення, активним впровадженням нових технологій на всіх етапах будівництва.
До характерних ознак сучасних проектних рішень можна віднести:
нові методики розрахунку будівельних конструкцій, що базуються на широкому використанні обчислювальних методів і реалізовані за допомогою відповідних програмних продуктів;
нестандартні конструкторські та технологічні рішення, які здійснюються вперше;
інноваційні технології та матеріали.
Розвиток складних математичних моделей і застосування висококласної обчислювальної техніки породили ілюзію можливості розрахувати будь-яку як завгодно нестандартну конструкцію з «абсолютною» достовірністю. Реальність же така, що навіть розумне проектне рішення не є абсолютною гарантією безпечного функціонування будівель та споруд і не може виключити зниження надійності в зв'язку з невідповідностями між прийнятої розрахункової моделлю і реальними умовами функціонування будівельних конструкцій, неминучими відхиленнями в технології проведення будівельних робіт, реалізацією факторів ризику природного і техногенного характеру. Наявність складних конструктивних елементів, які знаходяться в комплексному багатопараметричний взаємодії, неминуче пов'язане з можливістю виникнення дефектів на стадії експлуатації.
По-друге, будівельна інфраструктура в світі стає все біль розвиненою і складною. Все більше споруд з часом старіють і накопичують приховані дефекти. Епоха, коли більшість споруд були новими, закінчилася. Більша частина критично важливої інфраструктури, яка обслуговує суспільство сьогодні, включаючи мости, дамби та будівлі, була зведена кілька десятиліть назад і давно вичерпала свій проектний ресурс. Наприклад, в Сполучених Штатах, згідно Звіту про інфраструктуру 2017 року, опублікованому Американським товариством інженерів-будівельників, існує більш 56000 мостів зі структурно дефектними конструкціями, для відновлення яких потрібні 123 мільярди доларів США.
Тому замість планового виводу споруд з експлуатації, все частіше спостерігаються дострокові, позапланові, не прогнозовані, або навіть катастрофічні завершення життєвих циклів споруд, пов’язані з великими збитками, або навіть людськими жертвами.
Практика породжує якусь презумпцію неминучості аварій. Навіть якщо всі без винятку правила створення і експлуатації споруди будуть виконані, не можна гарантувати її безаварійність, в силу недосконалості правил і їх реалізації. Аварії, що супроводжуються руйнацією конструкцій, часто відбуваються несподівано, по непередбачуваним заздалегідь причинам.
За останні 50 років кількість катастрофічних руйнувань мостів в Сполучених Штатах привернула увагу до деградації національної будівельної інфраструктури і необхідності відповідних дій. Наприклад, міст I-35W в Мінеаполісі, штат Мінесота, катастрофічно обвалився першого серпня 2007 року без ніяких попереджуючих симптомів, що призвело до загибелі 46 людей. Збудований у 1967 році, I-35W був одним з найбільших мостів в Мінесоті, пропускаючи 140,000 автомобілів щоденно. Несучими конструкціями мосту були сталеві ферми.
Довжина мосту була 580 м. Перед колапсом зварні з’єднання мосту якраз оглядали інспектори. Інспекція виявила корозію, погану якість зварювальних робіт, тріщини втомлюваності в сталевих елементах і несправні підшипники в опорах. Але інспектори не були в змозі впевнено спрогнозувати катастрофічну руйнацію споруди і заборонити її експлуатацію. На жаль, неможливість гарантованого, точного прогнозу подальшої поведінки споруди, навіть контрольованої, залишається поки що не вирішеною загальною проблемою.
Всі конструкціїї, включаючи життєво важливі, такі як мости, деградують з часом через різні причини, включаючи втомлюваність матеріалів, викликану періодичним навантаженням від транспорту. вплив зовнішнього середовища, екстремальні події типу землетрусів. Погіршення технічного стану будівель відбувається також в результаті зміни фізичних властивостей матеріалів, характеру з’єднань, а також розмірів і форм. Якщо дефекти залишаються невиявленими, споруда може мати зменшений запас міцності і проблеми під час експлуатації. Більше того, конструкція може катастрофічно зруйнуватися, призводячи до економічних і людських втарт.
Розглянемо недавній і дуже повчальний приклад. 36-поверховий багатоквартирний будинок, Башта Опал у Сіднеї (Австралія).
Рис. Башта Опал в Сіднеї, Австралія
Спорудження було завершено в 2018 році а заселення 392 помешкань відбулося у другій половині 2018 року. В канун Різдва 2018, вночі, мешканці сповістили про гучні звуки, включаючи гучний «банг», очевидно внутрішнього походження, пов’язаного з конструкцією споруди. Інспекція джерела звуків виявила тріщини і зміщення в силових елементах 10 і 4 поверхів. З вимог безпеки мешканці будівлі були терміново евакуйовані. Один з мешканців, який живе зараз у товариша неподалік, сказав, що йому дали 75 хвилин на збори вночі.
Терміново після інспекції були встановлені численні тимчасові металеві підпорки в критичних місць, щоб зупинити процес подальшої руйнації.
Рис. Підпорки, встановлені в критичних місцях
Власники помешкань були забов’язані внести більше мільйона доларів за евакуацію, інспекцію, встановлення підпорок, юридичні консультації. І це тільки на першому етапі. Мешканців проінформували, що страхових виплат а також оплати тимчасового проживання не буде. Будівлю проголошено структурно непошкодженою, без небезпеки колапсу. Прийнята стратегія капітального ремонту, який буде дуже довгим і коштовним. Більшість приміщень буде спотворена додатковими підпорками.
Унікальність будівлі, термін експлуатації (всього шість місяців) і момент аварії (ніч перед Різдвом) притягнули увагу преси, але, нажаль, погана якість будівництва в багатьох країнах вже стала традицією.
1.2 Автоматизований моніторинг будівель і споруд
Зростаюча стурбованість станом існуючих структур мотивувала численні дослідження щодо виявлення пошкоджень з використанням різних методів неруйнівного оцінювання, які дозволяють зменшити кількість дострокових, позапланових, не прогнозованих, або навіть катастрофічних завершень життєвих циклів споруд, за рахунок вчасного виявляння прихованих дефектів конструкції і відповідного ремонту.
Традиційно одним з основних засобів моніторингу стану конструкцій є епізодичний візуальний огляд з виявленням видимих дефектів: тріщин, відшарувань, корозії, а також геометричних спотворень. Проблема в тому, що в конструкції можуть бути приховані дефекти, які не помітні при спостереженні. Тому інспектору допомагають численні переносні технічні засоби, в тому числі автоматизовані, що використовують методи неруйнівного контролю. Але така перевірка трудомістка, витратна і небезпечна. Крім того, виявляються, в основному, тільки локальні дефекти. Але інспектори значно перевищують існуючі комп’ютерні системи за рівнем досвіду, інтелекту і мобільності, що є великою перевагою, і обійтися без них поки що неможливо.
Останнім часом, поряд з епізодичними випробуваннями переносними технічними засобами стала застосовуватися безперервна діагностика технічного стану конструкцій, з використанням спеціально розроблених, вбудованих в споруду, автоматизованих систем моніторингу. За кордоном їх називають системами моніторингу здоров'я конструкцій «Structural Health Monitoring – SHM». Це відносно новий і перспективний інженерний напрямок.
Автоматизована система мониторингу нагадує нервову систему людини. Система мониторинга складається з мережі датчиків для збору інформації (аналог нервової системи) і аналізуючого центру обробки інформації і прийняття рішень (аналог мозку).
Автоматизовані системи моніторингу здійснюють функцію контролю за фізичними параметрами конструкцій будівель і споруд, на які вони встановлені, в режимі реального часу. Отримані дані постійно порівнюються з заданими межами. У разі виявлення критичних відхилень від норми, відбувається оповіщення чергово-диспетчерських служб (при необхідності). Це дозволяє забезпечити безпечну експлуатацію будівель і споруд за рахунок своєчасного виявлення та ремонту дефектних зон; заощадити на капітальному ремонті і відновленні конструкцій.
Рис. 1 Структурна схема типової системи моніторингу будівель (споруд).Типова система моніторингу включає набір датчиків різного призначення (тензометри, акселерометри, інклінометри, датчики переміщення, температури, деформації і т.п.) в критичних точках споруди, пристрої збору даних з датчиків (реєстратори), сервери для обробки і зберігання даних, набір програм ,
які призначені для управління процесом збору даних, їх зберігання в базі даних, обробки даних з використанням спеціальних процедур і алгоритмів.
Використання спеціально розроблених для даної споруди вбудованих автоматизованих систем є сучасним рівнем автоматизації моніторингу унікальних і висотних будівель; великопрольотних об'єктів (мости, споруди); протяжних об'єктів (тунелі, нафто-і газопровди); потенційно небезпечних об'єктів (атомні електростанції, гідроелектростанції, промислові комплекси), стратегічних об'єктів (військова і авіакосмічна інфраструктура). Зарубіжний досвід використання таких систем показує, що їх вартість може досягати 1 - 3% від вартості об'єкта.
Однак, для рядових, масових споруд сучасним рівнем ще довго буде залишатися відносно дешевий епізодичний плановий моніторинг, здійснюваний інспекторами, методами візуального та неруйнівного контролю, з використанням переносних технічних засобів, в тому числі автоматизованих. Даний метод контролю не розглядається як альтернативний, а є основним і обов'язковим елементом загальнодоступної системи моніторингу. Цей напрямок також інтенсивно розвивається.
Величезні потоки вхідної інформації в системах моніторингу потребують складної алгоритмічної обробки для ідентифікації поточного стану конструкції (що поки є лише частково вирішеною проблемою). Результатом цієї процедури повинна бути періодично оновлювана інформація про здатність конструкції продовжувати виконання своїх функцій з урахуванням неминучого старіння і деградації (але надійність цієї інформації не гарантована). На підставі отриманого результату повинні прийматися оперативні рішення щодо ремонту або зміцнення конструкції для продовження безпечної експлуатації. А як виконати зміцнення, якщо це не передбачено проектом? Проектувати і будувати заново? Так як вартість моніторингу дешевше, ніж економічні наслідки несподіваних аварій, вважається, що масове впровадження систем моніторингу споруд і конструкцій повинне внести істотний внесок в зміцнення економіки нашої країни.
Так виглядає ідея моніторингу в ідеалі. Але на практиці не все так просто.
Моніторинг технічного стану споруд є на сьогоднішній день вже досить поширеним інженерним заходом, але його зміст трактується і реалізується по-різному. Поки ще не повністю вирішеними системними проблемами моніторингу на сучасному етапі є:
1. Відсутність єдиного підходу до питання: «що необхідно вимірювати?» (Вибір складу інструментальних засобів і методики проведення вимірювань);
2. Відсутність єдиного підходу до питання: «як трактувати результати вимірювання?» (Методика трактування одержуваної в процесі моніторингу інформації для прогнозування розвитку аварійної ситуації).
3. Неможливість гарантованого, точного прогнозу подальшої поведінки споруди.
4. Відсутність єдиного підходу до питання, як виправляти виявлені дефекти, якщо вони дійсно суттєві і очевидні. В проектах ніколи не передбачаються запасні варіанти на такі випадки.
Поки що, для кожного конкретного випадку, прийняття рішення про склад інструментальних засобів і методикою проведення моніторингу технічного стану споруди вимагає індивідуального, нестандартного підходу. Розробка універсальної методики автоматизованого моніторингу технічного стану широкого спектру будівель і споруд на сьогоднішній день далека від завершення і є комплексною науково-технічним завданням, що охоплює різні наукові і методичні аспекти.
Від стаціонарних будівельних систем моніторингу зараз, за замовчуванням, очікуються нереально високі можливості по довговічності, надійності і достовірності інформації. Справа в тому, що будівельні об'єкти розраховані на тривалий термін експлуатації, вимірюваний десятками і навіть сотнями років, а події, що призводять до критичних ситуацій, можуть тривати секунди і мають дуже малу ймовірність, що вимірюється тисячними частками відсотка. Саме на гарантовану ідентифікацію цих часток відсотка повинна бути націлена система безперервного моніторингу.
В іншому випадку вона втрачає сенс. Але саме гарантій система моніторингу не дає, як не парадоксально. Взагалі, сама ідея контролювати більш надійну систему (будівлю) з допомогою менш надійної викликає деякі сумніви і питання. Наприклад, через двадцять років споруда ще буде вважатись новою, а інформаційна система безнадійно застаріє навіть морально. Як проводити її модернізацію? Що робити з датчиками і кабелями, залитими бетоном? Поки що розрахункові терміни експлуатації споруд значно більші, ніж реальні терміни експлуатації відповідних систем моніторингу, і досвід щодо надійності останніх ще не накопичено. Для дійсно надійних споруд (наприклад, єгипетськіх пірамід) системи моніторингу - це безглузде марнотратство. Якщо ж ми закладаємо ще на стадії проектування будівлі вбудовану стаціонарну систему моніторингу, чи не є це признанням, що в проекті споруди прийняті іноваційні, унікальні, неперевірені рішення, які ще треба перевіряти на практиці, що робить дану споруду експериментальною, ризикованою, ненадійною ще в проекті? А ненадійним спорудам, як показує досвід, моніторинг допомагає мало. Чи не прикриває ідея моніторингу просто погіршення якості проектування, будівництва і експлуатації? Відоме мудре висловлення спеціаліста в галузі управління і прогнозування в складних динамічних системах д.т.н., проф. А. А. Мусаєва: “Автоматизація - це спроба спростити життя шляхом його ускладнення”. Чи не ускладнимо ми собі життя без нагальної потреби масовим впровадженням систем мониторінгу і переведенням всіх споруд в статус експериментальних і ризикованих? Всі ці питання поки що залишаються дискусійними.
