Інформаційно-апаратне забезпечення усунення кренів багатоповерхових будівель

Abstract

Шокарев А.В. Інформаційно-апаратне забезпечення усунення кренів багатоповерхових будівель. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06. «Інформаційні технології». – Інститут телекомунікацій і глобального інформаційного простору Національної академії наук України, Київ, 2024. У дисертації вирішено нову актуальну науково-прикладну задачу з розробки методологічної, апаратної, математичної та програмної реалізації інформаційної технології діагностування поточного стану багатоповерхової будівлі (ІТДББ) для підтримки прийняття рішень в процесі ліквідації її наднормативних кренів. ІТДББ містить настроювання та верифікацію комп’ютерної моделі багатоповерхової будівлі (ББ) в сукупності з уточненням початково-крайових умов (з урахуванням поточного технічного стану будівельних конструкцій ББ, зміни їх міцності та зміни фізико-механічних характеристик ґрунтів основи за часом та деградацією); підготовку, отримання та аналіз первинної та онлайн-інформації протягом всього процесу вирівнювання за допомогою розподілених по ББ розроблених за участю здобувача прецизійних чутливих елементів вимірювання кутових деформацій; забезпечення зворотного зв’язку в системі управління процесом вирівнювання на основі експериментальної онлайн-інформації з інклінометричних датчиків та за результатами поточного математичного моделювання напружено-деформованого стану (НДС) будівельних конструкцій ББ; системний аналіз онлайн-результатів експериментальних даних та результатів поточного математичного моделювання НДС ББ з метою оцінки її поточного технічного стану для коригування управлінських рішень протягом всього процесу вирівнювання з кінцевою метою надійної фіксації будівлі в новому положенні без зупинки функціонування інженерних мереж ББ, технологічного обладнання (ліфти та ін.) та відселення мешканців. У першому розділі дисертації наведено наукові основи та загальні поняття про спеціалізовані інформаційні технології (ІТ) та їх підсистеми (моніторингові системи та ін.) для діагностики технічного стану (ТС) різних технічних об’єктів та про системи підтримки прийняття рішень (СППР), аналіз і оцінку результатів відомих досліджень з цієї тематики. СППР містить: аналіз попереднього та поточного ТС ББ, що зазнала наднормативаного крену; аналіз ефектів впливу на зміну НДС ББ різних природних та антропогенних факторів, включаючи аналіз реакції її окремих будівельних конструкцій; виявлення критичних факторів впливу; оцінку допустимих навантажень, математичне моделювання зміни НДС ББ за різних сценаріїв природного та антропогенного впливу тощо. Основним завданням, яке вирішується моніторинговими системами, є виявлення та оцінка відхилення реєстрованого поля від стаціонарного стану. Але перед цим важливо на попередньому етапі отримати характеристики цього стаціонарного стану. Розвитком теоретико-методологічних основ та інструментальних засобів створення та використання ІТ у різних галузях людської діяльності активно займалися В.Ф. Губарєв, В.Б. Мокін, А.О. Мошенський, І.В. Сергієнко, О.М. Трофимчук, О.М. Хіміч та інші. Розробки та програмні реалізації інструментальних інформаційно-аналітичних систем у галузі будівництва за допомогою програмних комплексів ЛІРА-САПР та SCAD викладені в роботах О.М. Хіміча, М.Г. Мар’єнкова, В.А. Дуніна та ін. Значний внесок в розробку неруйнівних методів контролю та моніторингу залізобетонних конструкцій внесли Бойко В.В., Глуховський В.П., Дунін В.А., Джонс Р., Мар’єнков М.Г., Савицький О.А., Трофимчук О.М., Фекеоару І. та інші дослідники. Експериментально-теоретичні дослідження проводили Дунін В.А., Калюх Ю.І., Трофимчук О.М., Мар’єнков М.Г., Хіміч О.М., Ambrosini D., Roesset J.M., Kim D.S., Chen C.H., Carino N.J. та інші. Визначення складу та структури ІТДББ, отримання первинної інформації за допомогою чутливих елементів, настроювання та верифікація комп’ютерних моделей будівель і споруд за допомогою експериментальних методів неруйнівного контролю вимагають проведення натурних досліджень, обробки великого обсягу статистичного матеріалу, застосування окремих сучасних технологій Industrial 4.0 у вигляді цифрових двійників (Digital Twins – DT) та Інтернету речей (Internet of Things – IoT). Все це й визначає актуальність завдань дисертаційних досліджень. У другому розділі дисертації окреслено методологічне, інструментальне і математичне підґрунтя створення ІТДББ. Крен фундаменту є одним із критеріїв, що визначають експлуатаційну придатність будівельного об’єкта. Нормативними документами обмежуються допустимі величини кренів будівель та споруд. Однак у багатьох випадках крени фундаменту на різних етапах життєвого циклу будівельного об’єкта перевищують допустимі величини, а іноді – й граничні. Для подальшої безпечної експлуатації такої будівлі необхідно вибрати та реалізувати оптимальну технологію усунення наднормативного крену. Описано розроблені за участю здобувача прецизійні кутові чутливі елементи, методику оцінки величини та напряму зміщення від нахилу маятника та розробку стенду для тарування датчиків. Досліджено та розраховано параметри системи «підроблювана ґрунтова основа – стрічковий фундамент з креном» та НДС системи «основа ББ – стрічковий фундамент» як елемента підтримки прийняття рішень в ІТДББ. Описано розробку способу ідентифікації НДС ґрунтової основи та експериментальне обґрунтування вибору основного розрахункового параметра в зворотному зв’язку ІТДББ при підробітку ґрунтів під підошвою стрічкового фундаменту ББ. Для запропонованої розрахункової моделі системи ББ «ґрунтова основа – стрічковий фундамент з креном» основними контрольованими параметрами є: товщина ґрунтової стінки між фундаментом ББ і котлованом, глибина котловану; глибина закладання, діаметр, крок циліндричних свердловин; характер зміни технологічних осідань та крену фундаменту; коефіцієнт ідентифікації ґрунтової основи, що підробляється; величина випору ґрунту в зоні стрічкового фундаменту. При усуненні наднормативних кренів будівель і споруд часто виникають розбіжності у величинах фактичних та прогнозованих параметрів, наприклад технологічного осідання, крену ББ. Тому в проєктах необхідно передбачати додаткові інженерні заходи для забепечення зворотного звязку з використанням ІТДББ: моніторинг у режимі реального часу, математичне моделювання НДС будівельних конструкцій ББ на основі програмного комплексу ЛІРА-САПР, комплексний синтез поточної експериментальної та розрахункової інформації для СППР, технологічні прийоми регулювання осідань за розрахунковою епюрою та ін. Це дозволить забезпечувати рівність прогнозованих та фактичних деформацій в умовах невизначеності та ризику ґрунтових аварій на всіх етапах виконання робіт з усунення крену ББ. Універсальна структурна схема ІТДББ повинна додатково містити блок безперервного розрахунку НДС фундаменту та верхньої будови в технологічному процесі усунення крену ББ, а також блок формування поточних управлінських команд. Це дозволить визначити локальні зони ґрунту, що вимагають додаткового управлінського впливу при вирівнюванні ББ, наприклад на основі корекції технологічних осідань під підошвою стрічкового фундаменту ББ. У третьому розділі розроблено експериментальний зразок ІТДББ, що містить прецизійні елементи вимірювання кутових деформацій та їх метрологічну атестацію за допомогою спеціального розробленого за участю здобувача стенду, програму «Pendulum» для розрахунку та візуалізації деформацій контрольованих будівельних конструкцій, моніторингову систему з онлайн-збором вимірювальної інформації про контрольовані фізичні величини, хмарну технологію та інструментальні засоби (мобільний телефон) передачі результатів вимірювань в Інтернет, базу даних для накопичення даних та їх оперативної обробки і т.п. При практичній реалізації ІТДББ для оцінки основних параметрів НДС фундаменту та ББ до її інформаційних каналів включені наступні вимірювальні перетворювачі та датчики (елементи DT ББ): індуктивний датчик для дистанційного контролю змін величини та напряму нахилу стрічкового фундаменту в діапазоні до граничного значення та індуктивний датчик дистанційного контролю розкриття тріщин ББ. Реалізовано моніторингову систему (елемент DT ББ) з безперервним збором вимірювальної інформації про контрольовані фізичні величини з подальшими їх передачею за допомогою хмарних технологій (елемент IoT), оперативною обробкою та зберіганням у відповідних базах даних. Для безперервного контролю параметрів системи ББ «ґрунтова основа – стрічковий фундамент з креном» розроблено структурну схему моніторингової системи, яка також містить блок періодичного автоматичного розрахунку НДС фундаменту та верхної будови в технологічному процесі усунення нахилу фундаменту на основі програмного комплексу ЛІРА-САПР з автоматичною корекцію початково-крайових умов розрахунку (додаток до програмного комплексу ЛІРА-САПР). Корекція початково-крайових умов розрахунку відбувається на основі поточної експериментальної інформації з інклінометричних датчиків, розподілених по ББ (елементи DT ББ) та з урахуванням фактичного ТС ББ на час розрахунку. Завдяки цим заходам підвищується надійність поточних управлінських команд від особи, що приймає рішення, та визначаються локальні зони ґрунту, що вимагають управлінського впливу, наприклад корекції технологічних осідань під підошвою стрічкового фундаменту ББ. Інструментальні засоби, що входять до ІТДББ: універсальні індуктивні датчики крену і датчики розкриття тріщин (точність вимірювань – 0,001 мм, діапазон температур -30º...+70ºС, захист від пилу і вологи IP56); засіб знімання інформації – вимірювач індуктивності ВІ1; засіб збору і передачі інформації – блок з мобільним телефоном (елемент IoT); комп’ютерна програма «Pendulum». В четвертому розділі описано впровадження результатів роботи ІТДББ при науково-технічному супроводі (НТС) під час та після вирівнювання житлових будинків по пр. Інженера Преображенського, 23 та 25 у м. Запоріжжі. Ці житлові будинки зведені на майданчику, складеному лесовими ґрунтами значної потужності, які при замочувані володіють просадними властивостями. За час експлуатації (~ 45 років) всі блок-секції (під’їзди) вищевказаних житлових будинків зазнали нерівномірних осідань, осідання та відхилення досягли наднормативних величин. У 2014 р. було виконано обстеження будівельних конструкцій ББ з оцінкою їх ТС. За результатами обстеження було встановлено, що технічний стан будівельних конструкцій та блок-секції в цілому оцінювався як непридатний для нормальної експлуатації. Основною причиною такого висновку стали значні нерівномірні осідання основи та фундаментів блок-секції та наднормативні крени її кутів. В рамках НТС вирівнювання блок-секції №1 були виконані наступні роботи: інженерно-геологічні дослідження вологісного режиму ґрунтів основи, якості підготовки основи, контроль якості ущільнення ґрунтів зворотного засипання котловану; геодезичний моніторинг за деформаціями будівлі в процесі вирівнювання; уточнення фактичних кренів блок-секції в різні періоди вирівнювання; НТС підготовчих робіт та процесу вирівнювання; контроль за станом конструкцій блок-секції при вирівнюванні з використанням ІТДББ та їх обстеження після виконання робіт з усунення наднормативного крену об’єкта методом вибурювання ґрунту основи горизонтальними свердловинами за розрахунковими параметрами під фундаментами ББ, які менше осіли. Застосування даного способу з використанням ІТДББ дозволило виконати весь комплекс робіт з ліквідації наднормативного крену блок-секції №1 без зупинки функціонування інженерних мереж ББ, технологічного обладнання (ліфти та ін.) та відселення мешканців. Відновлення деформаційного шва між блок-секціями №3 житлового будинку №23 та №1 житлового будинку №25 дозволило ліквідувати надпроєктні напруження, які діяли в будівельних конструкціях блок-секцій, що спирались одна на одну. В результаті вирівнювання вдалося запобігти силовим руйнаціям (пошкодженням) конструкцій блок-секцій сусідніх будинків. Планововисотне положення блок-секції №1 після її вирівнювання задовольняє вимогам проєкту та діючим будівельним нормам України. Відхилення кутів блок-секції знаходиться в межах 9...96 мм, їхній крен – 0,0004...0,004. Закручування блок-секцій №1 і №3, яке сталося внаслідок спирання кутів сусідніх блок-секцій одна на одну, після їх вирівнювання залишилось. Внаслідок вирівнювання блок-секції №1 був усунений її наднормативний крен. Але просадні властивості ґрунтів основи фундаментів блок-секції нижче ґрунтової подушки не були ліквідовані, подальша реалізація просадних властивостей в результаті замочування могла призвести до наднормативних деформацій і закриття деформаційного шва між блок-секціями. Враховуючи це, водозахисні заходи є основною гарантією забезпечення подальшої нормальної експлуатації блок-секцій житлових будинків по пр. Інженера Преображенського, 21, 23 та 25 у м. Запоріжжі.