Система мониторинга изменения состояния несущих конструкций зданий и сооружений

Система мониторинга изменения состояния несущих конструкций зданий и сооружений может быть преимущественно использована для автоматического, в режиме реального времени, мониторинга интегральных характеристик напряженно-деформированного состояния несущих конструкций зданий и сооружений, с целью определения безопасного состояния несущих конструкций зданий и сооружений, оперативного оповещения об изменении их состояния, и предупреждения возникновения чрезвычайных ситуаций.

Система мониторинга изменения состояния несущих конструкций зданий и сооружений представляет собой пространственно распределенные блоки, функционально объединенные между собой, и включает в себя блок измерения ускорений колебаний несущих конструкций зданий и сооружений, блок определения изменения зависимостей динамических характеристик, блок определения собственных частот и амплитуд колебаний несущих конструкций зданий и сооружений, блок определения форм колебаний несущих конструкций зданий и сооружений, блок синхронизации, блок привязки точного времени, блок измерения наклонов, блок сепарации, блок определения прогибов несущих конструкций зданий и сооружений, блок определения неравномерности осадок опор несущих конструкций зданий и сооружений, блок измерений линейных перемещений, блок измерения деформаций, блок определения напряжений несущих конструкций зданий и сооружений, блок измерения геодезических параметров, блок измерения влажности, блок измерения температуры, блок самодиагностики, блок калибровки, блок записи и хранения информации, блок обработки и визуализации информации, блок градации выходной информации, блок передачи информации, и не менее одного источника резервного питания, причем все упомянутые блоки подключены к шинам передачи данных, шинам управления и шинам питания.

Полезная модель относится к области автоматизированных систем мониторинга изменения состояния несущих конструкций зданий и сооружений, и может быть преимущественно использована для автоматического, в режиме реального времени, мониторинга интегральных характеристик напряженно-деформированного состояния несущих конструкций зданий и сооружений, с целью определения безопасного состояния несущих конструкций зданий и сооружений, оперативного оповещения об изменении их состояния, и предупреждения возникновения чрезвычайных ситуаций.

Известен ряд систем мониторинга безопасности несущих конструкций, конструктивных элементов зданий, сооружений в режиме реального времени.

Известная система мониторинга безопасности несущих конструкций, конструктивных элементов зданий, сооружений в режиме реального времени, согласно патенту РФ на полезную модель 83617, опубликованному 10.06.2009, содержит не менее одного блока нагружения непрерывного действия, вырабатывающий сигнал нагружения произвольно заданной формы и/или частоты, блок вибродатчиков, блок определения собственных частот колебаний конструкций, блок измерения ускорений колебаний объекта, и/или блок измерения наклонов, и/или блок измерения прогибов, и/или блок измерения напряжений, и/или блок измерения нагрузок, блок измерения абсолютной и неравномерной осадки, и/или блок измерения геодезических параметров, блок измерения влажности, блок измерения уровня грунтовых вод, блок измерения температуры, блок обработки и выходной информации, блок градации выходной информации, предназначенный для определения уровня безопасности, блок передачи информации потребителям, и не менее одного источника бесперебойного питания, причем все упомянутые блоки подключены к шинам передачи данных, шинам управления и шинам питания.

Известная система мониторинга безопасности несущих конструкций, конструктивных элементов зданий, сооружений в режиме реального времени, согласно патенту РФ на полезную модель 83618, опубликованному 10.06.2009, содержит не менее одного блока нагружения непрерывного действия, вырабатывающий сигнал нагружения произвольно заданной формы и/или частоты, блок определения собственных частот колебаний, блок измерения ускорений колебаний, и/или блок измерения наклонов, и/или блок измерения прогибов, и/или блок измерения напряжений, и/или блок измерения нагрузок, и/или блок измерения абсолютной и неравномерной осадки, и/или блок измерения геодезических параметров, блок измерения влажности, блок измерения уровня грунтовых вод, блок влагомеров, блок измерения температуры, блок передачи информации потребителям, не менее одного источника бесперебойного питания и блок встроенного контроля работоспособности системы и ее элементов, причем все упомянутые блоки подключены к шинам передачи данных, шинам управления и шинам питания.

Известная система мониторинга безопасности несущих конструкций, конструктивных элементов зданий, сооружений в режиме реального времени, согласно патенту РФ на полезную модель 86007, опубликованному 20.08.2009, содержит блок ударного устройства, блок определения собственных частот колебаний конструкций, блок измерения ускорений колебаний объекта, и/или блок измерения наклонов, и/или блок измерения прогибов, и/или блок измерения напряжений, и/или блок измерения нагрузок, и/или блок измерения абсолютной и неравномерной осадки, и/или блок измерения геодезических параметров, блок обработки и выходной информации, блок градации выходной информации, блок передачи информации потребителям, и не менее одного источника бесперебойного питания, причем все упомянутые блоки подключены к шинам передачи данных, шинам управления и шинам питания.

Одним из недостатков данных систем является то, что для мониторинга интегральных характеристик напряженно-деформированного состояния несущих конструкций зданий и сооружений необходимо, вырабатывать непрерывный сигнал нагружения, а в случае если параметры напряженно-деформированного состояния несущих конструкций зданий и сооружений близки к критическим, такие нагрузки могут привести к повреждению несущих конструкций зданий и сооружений.

Еще одним недостатком данных систем является то, что в них отсутствует привязка к точному времени всех измеряемых, определяемых, записываемых и передаваемых параметров.

Также, среди недостатков данных систем можно отметить отсутствие в них резервных источников питания, подключаемых при аварийных ситуациях или в случае иной необходимости и отсутствие возможности передачи информации по беспроводным сетям передачи данных.

Таким образом, данные системы, не обеспечивают, существующих в настоящее время, требований к надежности такого рода систем, а также достоверности и своевременности оповещений о критическом изменении состояния несущих конструкций зданий и сооружений.

Заявленная полезная модель обеспечивает получение технических результатов направленных на повышение надежности при мониторинге и регистрации в течение эксплуатации зданий и сооружений изменений состояния несущих конструкций вследствие накопления в них эксплуатационных дефектов, а также на повышение достоверности и своевременности оповещений о критическом изменении состояния несущих конструкций зданий и сооружений, и как следствие на снижение риска утраты несущими конструкциями свойств, определяющих их надежность.

Указанные технические результаты достигаются тем, что заявляемая полезная модель представляет собой пространственно распределенные блоки, функционально объединенные между собой, в систему мониторинга изменения состояния несущих конструкций зданий и сооружений, содержащую блок измерения ускорений колебаний несущих конструкций зданий и сооружений, блок определения изменения зависимостей динамических характеристик, блок определения собственных частот и амплитуд колебаний несущих конструкций зданий и сооружений, блок определения форм колебаний несущих конструкций зданий и сооружений, блок синхронизации, блок привязки точного времени, блок измерения наклонов, блок сепарации, блок определения прогибов несущих конструкций зданий и сооружений, блок определения неравномерности осадок опор несущих конструкций зданий и сооружений, блок измерений линейных перемещений, блок измерения деформаций, блок определения напряжений несущих конструкций зданий и сооружений, блок измерения геодезических параметров, блок измерения влажности, блок измерения температуры, блок самодиагностики, блок калибровки, блок записи и хранения информации, блок обработки и визуализации информации, блок градации выходной информации, блок передачи информации, и не менее одного источника резервного питания, причем все упомянутые блоки подключены к шинам передачи данных, шинам управления и шинам питания.

Заявленная полезная модель иллюстрируется чертежом, на котором изображена условная схема системы мониторинга изменения состояния инженерно-технических конструкций, на которой:

1 - блок измерения ускорений колебаний несущих конструкций зданий и сооружений;

2 - блок определения изменения зависимостей динамических характеристик;

3 - блок синхронизации;

4 - блок определения собственных частот и амплитуд колебаний несущих конструкций зданий и сооружений;

5 - блок определения форм колебаний несущих конструкций зданий и сооружений;

6 - блок определения прогибов несущих конструкций зданий и сооружений;

7 - блок сепарации;

8 - блок определения неравномерности осадок опор несущих конструкций зданий и сооружений;

9 - блок измерения линейных перемещений;

10 - блок измерения деформаций;

11 - блок определения напряжений несущих конструкций зданий и сооружений;

12 - блок измерения геодезических параметров;

13 - блок измерения влажности;

14 - блок измерения температуры;

15 - блок самодиагностики;

16 - блок калибровки;

17 - блок записи и хранения информации;

18 - блок обработки и визуализации информации;

19 - блок градации выходной информации;

20 - блок передачи информации;

21 - блок привязки точного времени

22 - источники резервного питания;

23 - шина передачи данных;

24 - шина управления;

25 - шина питания.

Заявленная полезная модель строится на использовании известных технических устройств в новом функциональном сочетании.

Система мониторинга изменения состояния несущих конструкций зданий и сооружений, согласно заявленной полезной модели, обеспечивает мониторинг следующих интегральных характеристик несущих конструкций зданий и сооружений: наклоны зданий и сооружений; колебания несущих конструкций зданий и сооружений; неравномерность осадок зданий и сооружений. Кроме того, для контроля напряжено-деформированного состояния объекта контролируются геометрические и динамические параметры объекта.

Система мониторинга изменения состояния инженерно-технических конструкций, согласно заявленной полезной модели автоматически в режиме реального времени осуществляет мониторинг процессов, протекающих в несущих конструкциях зданий и сооружений, в окружающей среде и в грунте для своевременного обнаружения на ранней стадии негативного изменения напряжено-деформированного состояния несущих конструкциях зданий и сооружений.

Система мониторинга изменения состояния инженерно-технических конструкций, согласно заявленной полезной модели автоматически осуществляет категорирование состояния безопасности несущих конструкций зданий и сооружений, а также условий их функционирования по градации посредством блока градации выходной информации.

Блок обработки и визуализации собирает данные, поступающие с измерительных блоков, обрабатывает, анализирует их и передает их в блок градации выходной информации, который осуществляет категорирование изменения технического состояния несущих конструкций зданий и сооружений, при этом градация осуществляется как минимум по трем категориям безопасности несущих конструкций зданий и сооружений в текстовом и цветовом отображении на экранах дисплеев, и в звуковом виде.

Система мониторинга изменения состояния инженерно-технических конструкций, согласно заявленной полезной модели автоматически осуществляется сбор, данных от измерительных блоков, требуемых для оценки состояния несущих конструкций зданий и сооружений посредством блока записи и хранения информации.

В блок обработки визуализации в режиме реального времени в оцифрованном виде поступают сигналы от блока измерения ускорений колебаний несущих конструкций зданий и сооружений, блока измерения линейных перемещений, блока измерения деформаций, блока измерения геодезических параметров, блока измерения влажности, блок измерения температуры.

В блоке записи и хранения информации содержаться:

- данные о конструкции зданий и сооружений, геометрические и динамические параметры;

- прочностные характеристики конструктивных элементов зданий и сооружений;

- данные об окружающей среде;

- координатные данные о расположении датчиков измерительных блоков;

- данные о граничных значениях интегральных характеристик, соответствующих нарушению нормальной эксплуатации и предаварийному изменению состояния несущих конструкций здания, сооружения для каждого из определенных воздействий и/или нагрузок на строительные конструкции;

- информация об измеренных ранее собственных частотах конструктивных элементов и самого здания/сооружения, информация о параметрах воздействия ударного блока при определении собственных частот;

- данные о динамике изменения собственных частот и других интегральных характеристик;

Блоком записи и хранения информации могут являться известные технические устройства для записи и хранения информации, например, постоянные запоминающие устройства.

Все данные с измерительных блоков проходят цифровую обработку в блоке обработки и визуализации с координатной привязкой пространственно разнесенных данных. По результатам обработки данных измерений в блоке обработки и выходной информации могут также определяться конструктивные элементы зданий и сооружений, в которых выявлены критические дефекты.

Блок обработки и визуализации передает обработанные данные в блок записи и хранения информации, блок градации выходной информации, блок синхронизации, блок определения собственных частот и амплитуд колебаний несущих конструкций зданий и сооружений, блок определения форм колебаний несущих конструкций зданий и сооружений, блок определения прогибов несущих конструкций зданий и сооружений, блок определения неравномерности осадок опор несущих конструкций зданий и сооружений, блок определения напряжений несущих конструкций зданий и сооружений.

В зависимости от результата сравнения текущих значений интегральных характеристик здания/сооружения и/или их конструктивных элементов, окружающей среды с заданными граничными значениями блок градации выходной информации градирует ее как минимум по трем категориям безопасности; она может быть представлена в текстовом, цветовом и/или звуковом виде.

Блоком измерения геодезических параметров могут являться известные технические устройства для измерения абсолютных и/или относительных геодезических параметров объекта, например, тахеометры и вспомогательное оборудование.

Блоком измерения температуры могут являться технические устройства, использующие датчики температуры, например, термометры сопротивления, термоэлектрические термометры.

Блоком измерения влажности могут являться лазерные и радиометрические приборы, предназначенные для измерения влажности, технические устройства использующие датчики влажности, например, психрометры, гигрометры.

Блоком обработки и визуализации может являться ЭВМ с инсталлированным на нем специализированным программным обеспечением.

Блоком градации выходной информации может являться компьютер с подключенным монитором и звуковыми колонками.

Блоком измерения ускорений колебаний несущих конструкций зданий и сооружений могут являться известные технические устройства для измерения ускорений колебаний, например, акселерометры.

В качестве резервных источников питания могут использоваться аккумуляторы. Резервные источники питания соединены со всеми блоками системы. Резервные источники питания обеспечивают питание системы при аварийных ситуациях или в случае иной необходимости.

Блоком передачи информации может являться типовое оборудование для передачи информации и/или информационного сопряжения.

Блок самодиагностики может содержать как самостоятельный программный модуль, так и программный модуль, входящий в состав специализированного программного обеспечения блока обработки и визуализации, необходимый для формирования и выдачи тестовых сигналов на измерительные блоки системы, при проверке их работоспособности, и обработки результатов отклика.

Блок калибровки может содержать как самостоятельный программный модуль, так и программный модуль, входящий в состав специализированного программного обеспечения блока обработки и визуализации и осуществляет обработку сигналов, полученных с измерительных блоков и сравнение с эталонными.

Блоком измерений линейных перемещений могут являться известные технические устройства для измерения линейных перемещений, например, индуктивные, потенциометрические, магнитострикционные, оптические линейные датчики.

Блоком измерения деформаций могут являться известные технические устройства измерений деформаций, например тензорезистивные, оптико-поляризационные, пьезорезистивные, волоконно-оптические датчики.

Блок привязки точного времени необходим для привязки к точному времени всех измеряемых, определяемых, записываемых и хранимых, передаваемых параметров системы. Блок привязки точного времени может являться сетевое устройство, например, NTP (Network Time Protocol) сервер точного времени.

Блок сепарации может содержать как самостоятельный программный модуль, так и программный модуль, входящий в состав специализированного программного обеспечения блока обработки и визуализации, и предназначен для разделения углов наклона приопорных частей несущих конструкций, соответствующих прогибам и углов, соответствующих повороту всей конструкции как жесткого целого (кренам), вызванных неравномерностью осадок опор конструкции.

Блок определения неравномерности осадок опор несущих конструкций зданий и сооружений может содержать как самостоятельный программный модуль, так и программный модуль, входящий в состав специализированного программного обеспечения блока обработки и визуализации, и предназначен для определения разницы между величинами абсолютных вертикальных линейных перемещений опор. Для этого используются формула зависимости неравномерности осадки от величины угла крена, полученные с пары инклинометров, установленных в приопорных элементах несущих конструкций или в местах наибольших углов поворота от приложения нагрузки.

Блок определения напряжений несущих конструкций зданий и сооружений может содержать как самостоятельный программный модуль, так и программный модуль, входящий в состав специализированного программного обеспечения блока обработки и визуализации. Напряжения определяются при помощи математики, заложенной в программный алгоритм блока, например, по закону Гука, исходя из измеренных деформаций, при малых деформациях, то есть при нагружении конструкций до предела упругости материала.

Блок синхронизации предназначен для синхронизации старта съема данных с измерительных блоков путем анализа электрического сигнала синхронизации ТТЛ (Транзисторно-Транзисторная Логика).

Блок синхронизации необходим для последующего достоверного определения собственных частот и амплитуд колебаний конструкций объекта, форм колебаний конструкций объекта.

Блок определения форм колебаний несущих конструкций зданий и сооружений может содержать как самостоятельный программный модуль, так и программный модуль, входящий в состав специализированного программного обеспечения блока обработки и визуализации. Формы колебаний определяются при помощи математики, заложенной в программный алгоритм блока следующим образом. На основании исходных данных, полученных от блок измерения ускорений колебаний несущих конструкций зданий и сооружений, приведенных к единому времени, производится спектральный анализ сигнала выделяются собственные частоты стоячих волн и строятся на соответствующей плоскости здания формы соответствующих этой плоскости стоячих волн. В результате чего определяются формы собственных колебаний объекта в целом, его блоков и отдельных элементов конструкции по трем взаимно перпендикулярным осям.

Бок определения собственных частот и амплитуд колебаний несущих конструкций зданий и сооружений может содержать как самостоятельный программный модуль, так и программный модуль, входящий в состав специализированного программного обеспечения блока обработки и визуализации. Собственные частоты и амплитуды колебаний несущих конструкций определяются при помощи математики, заложенной в программный алгоритм блока следующим образом, зависимость «ускорение колебаний - время» преобразуется в зависимость «ускорение колебаний - частота», например с помощью математической операции «Преобразование Фурье». Полученный спектр будет иметь выраженные пики, соответствующие собственным частотам колебаний несущих конструкций. Амплитуды колебаний несущих конструкций определяются путем двойного интегрирования зависимости «ускорение колебаний - время».

Блок определения прогибов несущих конструкций зданий и сооружений может содержать как самостоятельный программный модуль, так и программный модуль, входящий в состав специализированного программного обеспечения блока обработки и визуализации. Погибы несущих конструкций определяются при помощи математики, заложенной в программный алгоритм блока с помощью формулы полусуммы и полуразности показаний углов наклона.

Блок определения изменения зависимостей динамических характеристик может содержать как самостоятельный программный модуль, так и программный модуль, входящий в состав специализированного программного обеспечения блока обработки и визуализации.

На основании исходных данных полученных от блока измерения ускорений колебаний несущих конструкций зданий и сооружений, приведеных к единому времени определяется изменение состояния несущих конструкций зданияий и сооружений. Между показаниями и/или данными, полученными путем математической обработки двух или более датчиков (измерителями ускорений), установленными на несущих конструкциях здания существуют определенные математические зависимости.

Для определения изменения состояния несущих конструкций зданий и сооружений блоком определения изменения зависимостей динамических характеристик используются зависимости изменяющиеся от нарушения целостности несущих конструкций.

Заявленная полезная модель промышленно применима, что подтверждается настоящим описанием, а заявленная совокупность отличительных признаков обладает новой устойчивой взаимосвязью функциональных блоков, что обеспечивает получение заявленного технического результата.

Система мониторинга изменения состояния несущих конструкций зданий и сооружений, содержащая блок измерения ускорений колебаний несущих конструкций зданий и сооружений, блок определения изменения зависимостей динамических характеристик, блок определения собственных частот и амплитуд колебаний несущих конструкций зданий и сооружений, блок определения форм колебаний несущих конструкций зданий и сооружений, блок синхронизации, блок привязки точного времени, блок измерения наклонов, блок сепарации, блок определения прогибов несущих конструкций зданий и сооружений, блок определения неравномерности осадок опор несущих конструкций зданий и сооружений, блок измерений линейных перемещений, блок измерения деформаций, блок определения напряжений несущих конструкций зданий и сооружений, блок измерения геодезических параметров, блок измерения влажности, блок измерения температуры, блок самодиагностики, блок калибровки, блок записи и хранения информации, блок обработки и визуализации информации, блок градации выходной информации, блок передачи информации и не менее одного источника резервного питания, причем все упомянутые блоки подключены к шинам передачи данных, шинам управления и шинам питания.