Способ и система для определения устойчивости зданий и сооружений

006970 Область техники Изобретение относится к области определения прочности зданий, сооружений, прочих строительных конструкций и технологических систем, в том числе и их динамической прочности и может быть использовано для определения их устойчивости при возникновении природных или/и техногенных опасностей и выработки комплекса мероприятий по устранению выявленных изъянов и недостатков конструкций и материалов. Предшествующий уровень техники Известен способ определения динамической прочности строительных конструкций ( RU 2011174, G 01 М 7/00, 15.04.94), согласно которому возбуждают колебания испытуемого объекта на собственных частотах воздействием на него последовательности ударных импульсов, с помощью устанавливаемых на объекте датчиков регистрируют их отклики, по измеренным параметрам колебаний судят о динамических характеристиках объекта и его динамической прочности. Возбуждение колебаний при этом осуществляют с помощью подрыва взрывчатых веществ. Известно также устройство для осуществления способа динамических испытаний зданий и сооружений (Назин В.В.Новейшие сейсмостойкие конструкции и железобетонные механизмы сейсмоизоляции зданий и сооружений-М.: Стройиздат, 1993, с. 95-96), содержащее устройство возбуждения колебаний испытуемого объекта и установленный на объекте по крайней мере один блок преобразования вибрации в электрический сигнал, последовательно соединенный с регистратором электрического сигнала. В данном устройстве возбуждение колебаний испытуемого объекта осуществляется посредством громоздкого гидродомкрата, оснащенного специальной системой мгновенного освобождения от горизонтального усилия. В перечисленных технических решениях для достижения требуемой точности измерений амплитуда колебаний должна быть значительной. Недостатками этих решений являются: 1) Несовершенство способов возбуждения колебаний испытуемого объекта, обусловленное либо требованием к обслуживающему персоналу специальной квалификации и соблюдение особых мер безопасности при обращении с взрывчатыми веществами, либо громоздкостью и сложностью использования гидродомкратов; 2) Низкая точность в определении устойчивости зданий и сооружений, поскольку не определяется локализация дефектов (трещины, пустоты), присутствующих внутри материала конструкций и не определяемых визуальными методами (эти дефекты определяются методами неразрушающего контроля: ультразвуковой, электромагнитный, рентгеновский и другие, однако они требуют больших временных и финансовых затрат, что ограничивает их массовое распространение и делает практически невозможным их применение при экспресс-обследованиях). От первого недостатка свободен наиболее близкий по технической сущности к настоящему изобретению способ динамических испытаний зданий и сооружений и устройство для его осуществления (RU 21411635, 6 G01 М 7/00, 30.03.99), согласно которому возбуждение колебаний испытуемого объекта осуществляют ударными импульсами малой амплитуды, измеренные в интервалах времени между ударными импульсами колебания суммируют по амплитуде, а динамические характеристики объекта определяют по измеренным параметрам суммарных колебаний. Однако данный способ и устройство для его осуществления не свободны от второго недостатка и не позволяют с достаточной степенью точности определять наиболее информативный параметр при обследованиях зданий и сооружений - их устойчивость, поскольку он не дает возможность оперативно определять месторасположение дефектов. Сущность изобретения Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по устранению вышеуказанных недостатков и созданию такого способа и системы для определения устойчивости зданий и сооружений,которые позволили бы повысить точность определения устойчивости за счет учета месторасположения дефектов. Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения устойчивости зданий и сооружений, заключающемся в том, что возбуждают колебания испытуемого объекта на собственных частотах воздействием на него последовательности ударных импульсов малой амплитуды, далее измеряют колебания с помощью установленных на объекте датчиков, затем суммируют колебания по амплитуде и затем определяют характеристики объекта по измеренным параметрам суммарных колебаний,составляют корреляционную матрицу зарегистрированных записей колебаний от датчиков, далее вычисляют коэффициенты корреляции этой матрицы и затем по разнице значений коэффициентов корреляций от различных датчиков судят о месторасположении дефектов в объекте. Сущность заявленного технического решения основывается на физическом принципе: присутствующие внутри объекта дефекты влияют на параметры распространения волн, в том числе и их форму между точками регистрации, в результате чего уменьшается корреляционная зависимость зарегистрированных записей колебаний (сейсмограмм, велосиграмм, акселлерограмм) в различных точках объекта,являющихся точками регистрации. То есть анализ параметров корреляционной матрицы позволяет опре-1 006970 делить места расположения дефектов, при этом, чем больше точек регистрации, тем точнее определяются места расположения дефектов в объекте обследования в целом. Был проведен эксперимент, подтверждающий справедливость вышеизложенных рассуждений для двух конечно-элементных моделей объектов обследования (зданий, сооружений, технологических систем). Модель 1 - объект без дефектов, представлен на фиг. 1, параметры модели приведены в табл.1. В качестве материала объекта использовался бетон, свойства которого приведены в табл. 2. По условию эксперимента левому верхнему углу объекта придавалась начальная скорость Vo=l м/с. На объекте устанавливались датчики регистрации колебаний в местах, обозначенных цифрами 1, 2,3 на фиг.1. Записи колебания объекта в течение 1 с в точках 1, 2, 3, вызванные начальной скоростью, приведены на фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4 соответственно. Спектры полученных записей в точках 1, 2, 3, необходимые для использования метода контроля частотных характеристик, приведены на фиг. 3, фиг. 6 и 7 соответственно. Из спектров видно, что первый тон колебания сооружения 11 Гц. Модель 2 - объект с дефектами, приведенный на фиг. 8, при этом дефектами являлись участки материала бетона с пониженным модулем упругости. Схема расположения дефектов на объекте представлена на фиг. 8, при этом черные квадраты идентифицируют материал дефектный бетон 1, а белые квадраты - материал дефектный бетон 2 в соответствии с данными табл. 2. Схема расположения датчиков колебаний (цифры 1, 2, 3 на фиг. 8) и условия начальной скорости такие же, как и для модели 1. Записи колебания объекта с дефектами по оси Х в точках 1, 2, 3 в течение 1 с приведены на фиг. 9,10 и 11, соответственно. Спектры колебаний в точках 1, 2, 3 приведены на фиг. 12, 13 и 14 соответственно, из которых видно, что первый тон колебания дефектного сооружения составляет 8 Гц. В эксперименте частота первого тона объекта с дефектами (8 Гц) отличается от таковой объекта без дефектов (11 Гц), что свидетельствует об уменьшении жесткости объекта и не дает информации о месторасположении дефектов. Использование корреляционного анализа дает такую информацию, чтобы показать это, обозначим:XD1, XD2, XD3 - колебания в точках 1, 2, 3 объекта с дефектами. Корреляционная матрица записей колебаний Х 1, Х 2, Х 3: где rij - коэффициент корреляции величин Xi и Xj (где i, j - номер точки регистрации от 1 до 3). Корреляционная матрица записей колебаний X1d, X2d, X3d: где rdij, - коэффициент корреляции величин XDi и XDj В результате проведенного эксперимента получены следующие данные: Корреляционная матрица записей в точках регистрации объекта без дефектов: Корреляционная матрица записей в точках регистрации объекта с дефектами: Разницы коэффициентов корреляции составляют: Анализ разниц коэффициентов корреляции свидетельствует о том, что в случае объекта с дефектами существенные изменения произошли в корреляции колебаний между точками 1 и 2 и между точками-2 006970 1 и 3, сопоставляя данные можно сделать вывод, что основная часть дефектов расположена между точками регистрации 1 и 2, что подтверждается схемой их расположения (фиг. 8). Увеличение числа точек регистрации позволяет получать более полную и одновременно более точную картину месторасположения дефектов. Указанный технический результат в изобретении - системе для определения устойчивости зданий и сооружений - достигается тем, что в системе, содержащей блок ударного устройства, блок формирования электрического синхроимпульса, блок преобразования колебаний в электрический сигнал, блок аналогоцифрового преобразования электрического сигнала, блок цифрового запоминающего устройства, блок управления цифровым запоминающим устройством и блок вывода данных, в нее дополнительно включены блок формирования корреляционной матрицы записей колебаний и блок вычисления разницы коэффициентов корреляции, при этом все вышеупомянутые блоки соединены между собой каналами связи. Система работает следующим образом. Блок ударного устройства возбуждает колебания в обследуемом объекте. Колебания распространяются по объекту как по линии связи и регистрируются блоком преобразования колебаний в электрический сигнал, при этом блок формирования электрического синхроимпульса, соединенный с блоком ударного устройства и блоком преобразования колебаний в электрический сигнал линиями связи, задает реперные точки на записи колебаний. Сигнал с блока преобразования колебаний в электрический сигнал поступает по линии связи на блок аналого-цифрового преобразования электрического сигнала и далее на блок цифрового запоминающего устройства, к которому в свою очередь подключены по линиям связи блок управления цифровым запоминающим устройством и блок формирования корреляционной матрицы записей колебаний, к которому в свою очередь подключен по линии связи блок вычисления разницы коэффициентов корреляции. Сигнал обрабатывается, запоминается в блоке цифрового запоминающего устройства и поступает на блок вывода данных, откуда поступает информация, позволяющая судить об устойчивости зданий и сооружений. Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата. В частном случае исполнения настоящего изобретения все полученные экспериментальные значения можно считать также входными данными для машинного расчета устойчивости зданий и сооружений. В частном случае исполнения настоящего изобретения также возможно сочетание методов экспертных оценок и машинного расчета для определения устойчивости зданий и сооружений. В частном случае исполнения настоящего изобретения блок ударного устройства может представлять собой механическое устройство или/и электрическое устройство, или/и электромеханическое устройство, или/и магнитное устройство, или/и электромагнитное устройство, или/и гидравлическое устройство, или/и взрывное устройство, или/и устройство возбуждения гармонических или/и специальных колебаний. Альтернатива в этом случае в виде союзов или/и означает, что возможно исполнение блока ударных устройств как в виде механического устройства, электрического устройства, электромеханического устройства, магнитного устройства, электромагнитного устройства, гидравлического устройства,взрывного устройства, устройства возбуждения гармонических колебаний, устройства возбуждения специальных колебаний по отдельности, так и всевозможных их сочетаний между собой. В частном случае исполнения настоящего изобретения местом возбуждения колебаний может быть любая точка на объекте или/и вне его. Альтернатива в этом случае в виде союзов или/и означает, что местом возбуждения колебаний может быть любая точка как на объекте, так и вне объекта, также одновременно и на объекте и вне объекта. В частном случае исполнения настоящего изобретения ударное воздействие на объект может осуществляться воздействием микросейсмического фона природного или/и техногенного характера. Альтернатива в этом случае в виде союзов или/и означает, что указанное воздействие может осуществляться воздействием микросейсмического фона природного характера, техногенного характера как по отдельности, так и совместно. В частном случае исполнения настоящего изобретения все функциональные блоки системы или их часть могут быть связаны между собой беспроводным каналом связи. В частном случае исполнения настоящего изобретения в системе может отсутствовать блок ударного устройства, а его функцию выполняет микросейсмический фон природного или/и техногенного характера. Альтернатива в этом случае в виде союзов или/и означает, что функцию блока ударного устройства может выполнять микросейсмический фон природного характера, техногенного характера как по отдельности, так и совместно. В частном случае исполнения настоящего изобретения все функциональные блоки системы или их часть могут быть размещены на стационарном пункте. В частном случае исполнения настоящего изобретения все функциональные блоки системы или их часть могут быть размещены на мобильном пункте. В частном случае исполнения настоящего изобретения система может являться комбинацией стационарного и мобильного пунктов.-3 006970 В частном случае исполнения настоящего изобретения блок вывода данных системы может быть выполнен в виде блока визуального отображения и/или блока акустического отображения и/или блока печати. Альтернатива в этом случае в виде союзов или/и означает, что блок воспроизведения системы может быть выполнен в виде блока визуального отображения, блока акустического отображения, блока печати как по отдельности и в виде всевозможных сочетаний этих блоков. В частном случае исполнения настоящего изобретения блок вывода данных системы может быть выполнен с возможностью отображения, по меньшей мере, одномерного изображения (то есть одномерного, двумерного, трехмерного, четырехмерного и т.д. изображений) или/и голографического изображения. Альтернатива в этом случае в виде союзов или/и означает, что блок вывода данных системы может быть выполнен с возможностью отображения, по меньшей мере, одномерного изображения, голографического изображения как по отдельности, так и совместно. Краткое описание чертежей Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображено: Фиг. 1 - Модель 1 - объект без дефектов со схемой расположения датчиков в точках 1, 2, 3 Фиг. 2 - Колебания объекта по оси Х в точке 1 (Модель 1) Фиг. 3 - Колебания объекта по оси Х в точке 2 (Модель 1) Фиг. 4 - Колебания объекта по оси Х в точке 3 (Модель 1) Фиг. 5 - Спектр колебания объекта по оси Х в точке 1 (Модель 1) Фиг. 6 - Спектр колебания объекта по оси Х в точке 2 (Модель 1) Фиг. 7 - Спектр колебания объекта по оси Х в точке 3 (Модель 1) Фиг. 8 - Модель 2 - объект со схемами расположения дефектов и точек регистрации колебаний Фиг. 9 - Колебания объекта с дефектами по оси Х в точке 1 (Модель 2) Фиг. 10 - Колебания объекта с дефектами по оси Х в точке 2 (Модель 2) Фиг. 11 - Колебания объекта с дефектами по оси Х в точке 2 (Модель 2) Фиг. 12 - Спектр колебания объекта с дефектами по оси Х в точке 1 (Модель 2) Фиг. 13 - Спектр колебания объекта с дефектами по оси Х в точке 2 (Модель 2) Фиг. 14 - Спектр колебания объекта с дефектами по оси Х в точке 3 (Модель 2) Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения Настоящее изобретение промышленно применимо, так как строится не на использовании новых программно-аппаратных средств, обеспечивающих реализацию функции определения устойчивости зданий и сооружений, а на новом, комплексном подходе к реализации этой функции, учитывающем месторасположение дефектов внутри обследуемых объектов, что повышает точность обследования и служит основой для построения новых способов и систем, реализующих ту же целевую функцию по мере появления нового программного обеспечения и моделей, включая 4D-модели объектов. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ определения устойчивости зданий и сооружений, включающий возбуждение колебаний испытуемого объекта на собственных частотах путем воздействия на него последовательностью ударных импульсов малой амплитуды, измерение колебаний с помощью установленных на объекте датчиков,суммирование колебаний по амплитуде и определение характеристик объекта по измеренным параметрам суммарных колебаний, отличающийся тем, что формируют корреляционную матрицу зарегистрированных записей колебаний от датчиков, установленных на испытуемом объекте и по разности значений коэффициентов матрицы корреляции испытуемого объекта с соответствующими коэффициентами матрицы корреляции объекта, подобного испытуемому, но не содержащего дефектов, судят о месторасположении дефектов в испытуемом объекте. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что полученные экспериментальные значения являются входными данными для машинного расчета устойчивости зданий и сооружений. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что полученные экспериментальные значения являются входными данными для сочетания методов экспертных оценок и машинного расчета для определения устойчивости зданий и сооружений. 4. Способ по п.3 или 1, отличающийся тем, что местом возбуждения колебаний служит любая точка на объекте или/и вне его. 5. Способ по п.3, отличающийся тем, что ударное воздействие на объект осуществляется воздействием микросейсмического фона природного или/и техногенного характера. 6. Система для определения устойчивости зданий и сооружений, содержащая блок ударного устройства, блок формирования электрического синхроимпульса, блок преобразования колебаний в электрический сигнал, блок аналого-цифрового преобразования электрического сигнала, блок цифрового запоминающего устройства, блок управления цифровым запоминающим устройством и блок вывода данных, отличающаяся тем, что в нее дополнительно включены блок формирования корреляционной матрицы записей колебаний для испытуемого объекта и блок вычисления разности значений коэффициентов матрицы корреляции испытуемого объекта с соответствующими коэффициентами матрицы корре-4 006970 ляции объекта, подобного испытуемому, но не содержащего дефектов, при этом все вышеупомянутые блоки соединены между собой каналами связи. 7. Система по п.6, отличающаяся тем, что блок ударного устройства представляет собой механическое устройство или/и электрическое устройство, или/и электромеханическое устройство, или/и магнитное устройство, или/и электромагнитное устройство, или/и гидравлическое устройство, или/и взрывное устройство, или/и устройство возбуждения гармонических или/и специальных колебаний. 8. Система по п.6 или 7, отличающаяся тем, что все функциональные блоки системы или их часть связаны между собой беспроводным каналом связи. 9. Система по п.8, отличающаяся тем, что в системе отсутствует блок ударного устройства, а его функцию выполняет микросейсмический фон природного или/и техногенного характера. 10. Система по п.9, отличающаяся тем, что все функциональные блоки системы или их часть размещены на стационарном пункте. 11. Система по п.10, отличающаяся тем, что все функциональные блоки системы или их часть размещены на мобильном пункте. 12. Система по п.10 или 11, отличающаяся тем, что система является комбинацией стационарного и мобильного пунктов. 13. Система по п.12, отличающаяся тем, что блок вывода данных выполнен в виде блока визуального отображения или/и блока акустического отображения или/и блока печати. 14. Система по п.13, отличающаяся тем, что блок ввывода данных системы выполнен с возможностью отображения, по меньшей мере, одномерного изображения или/ и голографического изображения. Таблица 1. Параметры модели 1