Контроль строительства: волоконно-оптическая система — Как сделать самому?

Повышенное внимание к комплексной безопасности – результат активного роста доли уникальных и ответственных объектов в строительстве. Сегодня нормативные документы, направленные на усиление безопасности в строительстве, обретают черты реального воплощения на стройплощадке. Пример тому – высотный объект концерна «МонАрх» в Москве.

Развитие высотного домостроения в российских мегаполисах ускорило разработку нормативов, призванных обеспечивать комплексную безопасность в строительстве. Среди документов, определяющих меры по повышению надежности и безопасности при возведении «высоток», прежде всего следует отметить ГОСТ Р 22.1.12 – 2005, СНиП 3.02.01, СНиП 2.02.01-83*, ТСН 31-332-2006 СПб и МГСН 4.19-2005. С появлением ТСН 31-332-2006 СПб и МГСН 4.19-2005 акцент в управлении процессами сложного функционирования и взаимодействия внутренних систем современного здания был сделан на безопасность.

20 сентября 2007 г. Установка датчиков давления в грунте

Цели, которые преследуются системами автоматизации здания, таковы: ресурсосбережение, безопасность и комфорт. Наиболее важной среди них является безопасность. Но в системах жизнеобеспечения безопасность фигурирует обычно только в виде контроля надежности эксплуатации инженерных систем в сочетании с охранными системами. И здесь возникает парадокс в подходе к обеспечению безопасности, поскольку первичная система, система мониторинга конструкционного состояния (напряженно-деформированного состояния здания), как правило, не присутствует в наборе систем контроля.

В представленной статье рассказывается о системе мониторинга, устанавливаемой в строящемся многофункциональном комплексе в Москве. Заказчиком системы мониторинга выступил Концерн «МонАрх» для многофункционального делового спортивно-рекреационного комплекса, включающего в себя офисное здание, гостиницу и торговый центр. Установку системы мониторинга производит ООО «Мониторинг-Центр».

Система мониторинга базируется на волоконно-оптических датчиках деформаций и давления (Таблица 1), датчики сертифицированы и выпускаются серийно. Научное руководство обеспечивает заведующий кафедрой Механики грунтов, оснований и фундаментов МГСУ профессор З. Г. Тер-Мартиросян.

В качестве объекта контроля проектировщиками был определен наиболее сложный блок многофункционального комплекса – офисный блок, высота надземной части которого составляет 33 этажа, а подземная часть 3 этажа. В результате анализа геотехнических параметров грунта в сочетании со сложным конструктивным решением было решено установить на офисном блоке 125 датчиков по следующей схеме:

24 датчика давления в грунте по подошве фундамента (датчики типа «М»);
21 датчик деформаций арматуры в фундаменте (датчики типа «Ф»);
80 датчиков деформаций в вертикальных элементах (датчики типа «В») в составе: в 10-и пилонах по 2 датчика в каждом на «минус» 3-м этаже, в 10-и пилонах по 2 датчика в каждом на «минус» 1-м этаже, в 10-ти пилонах по 2 датчика в каждом на 3-м этаже; в 10-и пилонах по 2 датчика в каждом на 18-м этаже.

Волоконно-оптические датчики давления в грунте позиционированы таким образом, чтобы можно было решить 2 задачи мониторинга: локальный контроль давления в заданной точке и глобальный контроль распределения давления по фундаментной плите.

Волоконно-оптические датчики деформаций, устанавливаемые в фундаментной плите также должны решать локальную и глобальную задачи. Как местный инструмент контроля, датчик деформаций регистрирует степень удлинения или сжатия арматуры, что после нормирования на базу датчика, с помощью закона Гука можно пересчитать в напряжения и сравнить полученные величины с расчетными.

Среди европейских технологий мониторинга строительных конструкций доминирующие позиции начинают занимать измерительные системы на базе волоконной оптики. Этот факт объясняется, прежде всего, тем, что стройка создает для измерительных приборов экстремальные условия эксплуатации. Вследствие этого для строительного мониторинга становятся востребованы именно волоконно-оптические датчики, поскольку они обладают рядом специфических параметров:

высокая помехозащищенность;
высокая чувствительность;
индифферентность к различным агрессивным факторам;
высокая надежность и большой ресурс эксплуатации;
пожаро — и взрывобезопасность.

Таблица 1. Технические характеристики волоконно-оптических датчиков ООО «Мониторинг-Центр»

Параметр

Волоконно-оптический датчик давления в грунте

Волоконно-оптический датчик деформаций

Диапазон измеряемых параметров

0÷10 кГс/см²

Относительная деформация — 0÷2·10^-2

Погрешность измерения

2 %

1,5 %

Порог чувствительности

0,2 кГс/см²

Потребляемая мощность измерителя сигналов

Не более 2 Вт

Температура эксплуатации

-20…+60 °C

-30…+60 °C

Устойчивость к коррозии

да

Влажность при эксплуатации

0…100 %

Срок службы

Не менее 10 лет

Размеры корпуса датчика

Диаметр – 180 мм, толщина – 20 мм

60x44x14 мм

Электропитание в первичном преобразователе

отсутствует

На графиках 1–2 представлены результаты измерений деформаций в фундаменте и распределения давления по подошве фундамента, зафиксированные на 18-19 января 2007 года. Исходя из схемы распределения деформаций (указаны стрелками в условных единицах, иллюстрируют сжатие или растяжение арматуры в точках контроля), можно дать общую оценку ситуации как удовлетворительную. В целом арматурные стержни работают в «предписанном» расчетами режиме. Анализ индивидуальных данных по каждому датчику дает хорошую корреляцию с нормами. Распределение давления по подошве фундамента (график 2) представляет информацию о том, как нагружается плита.

Эти данные требуют детального анализа. Но уже сейчас прослеживается некоторая корреляция с данными датчиков деформаций. Прежде всего, нельзя исключать влияние стены в грунте, которая давит на конструкцию возводимого здания, причем результирующая, будучи разложенной по вертикальному и нормальному направлениям, может порождать дополнительные усилия как в плане деформации плиты, так и в смысле давления на грунт.

Если говорить о трудностях, то необходимо проанализировать интегральный показатель успешности монтажа любой приборной базы – количество датчиков, установленных по плану и количество «отказов», то есть датчиков, поврежденных или не функционирующих после установки. Первые проекты сопровождались высоким процентом «отказов»: до 60 % датчиков вышли из строя спустя месяц после закладки в бетон. Для струнных датчиков, а также для тензодатчиков из литературы известны оценки «отказов» в пределах от 3÷5 % до 20÷30 %, в зависимости от условий установки. Первые датчики на базе волоконной оптики на описываемом объекте были установлены 20 сентября 2006 года. На момент написания статьи установлено 88 датчиков, проведено 2 тестовых регистрации и 6 регистраций в штатном режиме. Итог в формате обсуждения работоспособности системы следующий:

все датчики «живы», то есть показывают сигнал, соответствующий диапазону градуировки;
все датчики показывают изменение сигнала, соответствующее нагрузкам в результате возведения здания;
регистрация сигнала в условиях отсутствия диспетчерского пункта стала причиной того, что 2 датчика потребовали замены коннекторов.

Сейчас в исследовательской лаборатории ООО «Мониторинг-Центр» заканчиваются опытно-конструкторские работы по созданию волоконно-оптического датчика ветровых нагрузок на фасадах. По их завершении, после доработки конструкторской документации и проведения соответствующих патентных и сертификационных мероприятий, авторы полагают предложить строительному сектору законченную линейку волоконно-оптических измерительных систем. На основе такой линейки измерительных систем будет возможно создание полной и эффективной системы мониторинга основных технических параметров высотных и многофункциональных зданий.

Временный диспетчерский пункт 22.11.2006. Здесь проводились первые измерения. Временный диспетчерский пункт 21.03.2007. Идут работы по оборудованию системы автоматизированной регистрации.

Установка датчиков деформаций в пилон. Вывод разъемов от датчика деформаций в коннекторный блок на поверхность пилона после заливки.