Система мониторинга безопасности несущих конструкций, конструктивных элементов зданий, сооружений в режиме реального времени

Полезная модель относится к области автоматизированных систем мониторинга безопасности несущих конструкций, конструктивных элементов зданий и сооружений, а также зон вероятных природных чрезвычайных ситуаций, и может быть преимущественно использована при создании, эксплуатации автоматизированных систем мониторинга особо опасных, технически сложных и уникальных объектов, а также зданий и сооружений, находящихся в зонах вероятной природной чрезвычайной ситуации, с целью определения безопасного состояния несущих конструкций, конструктивных элементов зданий и сооружений, оперативного оповещения об изменении их состояния, и предупреждения возникновения чрезвычайных ситуаций.

Полезная модель направлена на повышение надежности мониторинга в реальном масштабе времени безопасности зданий и сооружений и их конструктивных элементов при их эксплуатации.

Полезная модель также направлена на обеспечение оперативного доведения информации об уровне безопасности зданий и сооружений до потребителей различных уровней управления.

Указанные технические результаты достигаются тем, что система мониторинга безопасности зданий, сооружений и их конструктивных частей в режиме реального времени, 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

Полезная модель относится к области автоматизированных систем мониторинга безопасности несущих конструкций, конструктивных элементов зданий и сооружений, а также зон вероятных природных чрезвычайных ситуаций. Полезная модель может быть преимущественно использована при создании, эксплуатации автоматизированных систем мониторинга особо опасных, технически сложных и уникальных объектов, а также зданий и сооружений, находящихся в зонах вероятной природной чрезвычайной ситуации, с целью определения безопасного состояния несущих конструкций, конструктивных элементов зданий и сооружений, оперативного оповещения об изменении их состояния, и предупреждения возникновения чрезвычайных ситуаций.

Известен способ определения устойчивости зданий и сооружений и система для его осуществления (патент РФ 2245531), содержащая блок ударного устройства, блок формирования электрического синхроимпульса, блок преобразования колебаний в электрический сигнал, блок аналого-цифрового преобразования электрического сигнала, блок цифрового запоминающего устройства и блок управления цифровым запоминающим устройством, блок ввода экспериментальных и/или расчетных значений поверхностной прочности, и/или объемной прочности, и/или параметров армирования элементов конструкции объекта, и/или осадков, и/или сдвигов, и/или кренов объекта, и/или глубины залегания фундамента, и/или его поверхностной прочности, и/или его объемной прочности, и/или периода собственных колебаний грунта под объектом и/или вокруг него, измеренного, по меньшей мере, по первому тону колебаний, и/или уровня грунтовых вод, блок сравнения экспериментальных данных с нормированными данными,

рассчитанными для данных конструкции и материалов испытуемого объекта и состава грунта под ним и/или вокруг него, и блок воспроизведения полученных данных, связанные по шинам управления и данных между собой и с остальными функциональными блоками системы.

Недостатком такой системы является отсутствие градации информации, отсутствие возможности непрерывного функционирования, отсутствие возможности учета важных климатических факторов, влияющий на состояние безопасности несущих конструкций, конструктивных элементов зданий и сооружений - температуры, влажности, уровня грунтовых вод, отсутствие возможности мониторинга и отображения данных об изменении состояния несущих конструкций зданий и сооружений в режиме реального времени, отсутствие блока передачи информации внешним потребителям через информационные сети и/или каналы связи.

Также известна, принятая за прототип, система мониторинга технического состояния зданий и сооружений (патент РФ на полезную модель 66525), содержащая блок ударного устройства, блок вибродатчиков, блок обработки и выходной информации, блок измерения ускорений колебаний объекта, и/или блок измерения скоростей колебаний объекта, и/или блок измерения амплитуд 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 контроля трещин, стыков и швов, и/или блок измерения геодезических параметров, и блок градации выходной информации.

Недостатком этого технического решения является отсутствие возможности непрерывного функционирования, отсутствие возможности прямого измерения собственных частот колебаний несущих конструкций, конструктивных элементов зданий и сооружений, отсутствие возможности учета важных климатических факторов, влияющих на состояние безопасности несущих конструкций, конструктивных элементов зданий и

сооружений - температуры, влажности, уровня грунтовых вод, отсутствие возможности мониторинга и отображения данных об изменении состояния несущих конструкций, конструктивных элементов зданий и сооружений в режиме реального времени, отсутствие блока передачи информации внешним потребителям через информационные сети и/или каналы связи, осуществление посредством блока ударного устройства только импульсного (ударного) динамического воздействия на конструктивные элементы.

Технической задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является устранение вышеуказанных недостатков - обеспечивается постоянное функционирование системы и непрерывный мониторинг безопасности зданий/сооружений, обеспечивается возможность определения собственных частот колебаний зданий/сооружений и их конструктивных элементов, для настройки и проверки функционирования системы обеспечивается динамическое воздействие на конструктивные элементы заранее заданной формы и/или частоты, осуществляется измерение влажности, температуры, уровня грунтовых вод, обеспечивается информирование потребителей в режиме реального времени.

Заявляемая полезная модель представляет собой пространственно распределенные блоки, функционально объединенные по линиям/шинам передачи данных, управления и питания в систему мониторинга безопасности несущих конструкций, конструктивных элементов зданий, сооружений в режиме реального времени.

Поставленная задача решается тем, что в систему мониторинга технического состояния зданий и сооружений, содержащую блок обработки выходной информации, блок измерения ускорений колебаний объекта, блок измерения скоростей колебаний объекта и/или блок измерения амплитуд 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, и блок градации выходной

информации, дополнительно включены не менее одного блока нагружения непрерывного действия, вырабатывающего сигнал нагружения произвольно заданной формы и/или частоты, блок определения собственных частот колебаний конструкций, блок измерения уровня грунтовых вод, блок измерения температуры, блок измерения влажности, блок передачи информации потребителям, блок влагомеров, предназначенный для измерения содержания влаги в конструктивных элементах и конструкциях, блок встроенного контроля работоспособности системы и ее элементов, и не менее одного источника бесперебойного питания. При этом все блоки подключены к шинам управления, передачи данных и питания.

Система мониторинга в режиме реального времени осуществляет мониторинг интегральных характеристик напряженно-деформированного состояния несущих конструкций здания/сооружения и выдачу сообщений об изменении напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов, несущих конструкций объекта и условий их функционирования.

В системе мониторинга обеспечивается мониторинг гидрометеорологических и грунтовых нагрузок, включая вибрацию, сбор, данных от измерительных блоков, требуемых для оценки состояния зданий/сооружений и их конструктивных элементов. В системе автоматически осуществляется категорирование состояния безопасности несущих конструкций здания/сооружения и условий их функционирования по градации посредством блока обработки выходной информации. Система автоматически в режиме реального времени осуществляет контроль процессов, протекающих в конструкциях объектов, в окружающей среде и в грунте для своевременного обнаружения на ранней стадии негативного изменения напряженно-деформированного состояния конструкций. Кроме того, для контроля напряженно-деформированного состояния объекта контролируются геометрические и динамические параметры объекта.

Система определяет изменение величин крена фундаментных плит, конструкций, кровли с помощью измерительных блоков наклона.

Система осуществляет измерение геодезических параметров - отклонение от вертикали высоты конструкций.

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

Колебания конструктивных элементов здания/сооружения, обусловленные движением грунта, воздействием ветра и других внешних факторов, а также воздействие блока(ов) нагружения непрерывного действия, в режиме реального времени фиксируются блоками измерений ускорений колебаний объекта и/или блок измерений скоростей колебаний объекта и/или блок измерения амплитуд колебаний объекта. А блок определения собственных частот колебаний выделяет собственные частоты колебаний конструктивных элементов здания/сооружения.

Информация с этих блоков в оцифрованном виде поступает в блок обработки и выходной информации.

В этот же блок обработки и выходной информации в режиме реального времени в оцифрованном виде поступают сигналы от блока измерения скоростей колебаний, блока измерения амплитуд колебаний, блока измерения наклонов, блока измерения прогибов, блока измерения напряжений, блока измерения абсолютной и неравномерной осадки, блока измерения абсолютных и/или относительных геодезических параметров элементов объекта, от блока измерения температуры, блока измерения влажности, блока измерения уровня грунтовых вод, блока влагомеров.

В блоке обработки и выходной информации содержатся:

- данные о конструкции объекта/сооружения, его геометрические и динамические параметры - модель здания/сооружения;

- прочностные характеристики конструктивных элементов;

- 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;

- расчетная модель здания/сооружения и их конструктивных элементов;

- модель воздействий и нагрузок для данного здания/сооружения;

- тестовые программы для опроса датчиков, необходимые для проверки работоспособности блоков и системы.

Все данные с измерительных блоков проходят цифровую обработку в блоке обработки и выходной информации. Выходная информация блока обработки и выходной информации поступает в блок градации выходной информации и в блок передачи информации потребителям. По результатам обработки данных измерений в блоке обработки и выходной информации могут также определяться конструктивные элементы здания/сооружения, в которых выявлены критические дефекты.

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.

С блока обработки и выходной информации информация об уровне безопасности здания/сооружения и их конструктивных элементов поступает потребителям.

Источник(и) бесперебойного питания соединен(ены) со всеми блоками системы. Источник(и) бесперебойного питания обеспечивают непрерывность мониторинга системой в случае отключения/нарушения энергоснабжения здания/сооружения.

По меньшей мере, один блок нагружения непрерывного действия, вырабатывает сигнал нагружения произвольно заданной формы и/или частоты. Результаты обработки данных, зафиксированных системой, служат для определения частот собственных колебаний здания/сооружения и их конструктивных элементов, калибровки датчиков, уточнения интегральных показателей, характеризующих надежность конструкций, и определения динамики их изменения.

Блок встроенного контроля работоспособности системы периодически «опрашивает» датчики, входящие в состав блоков системы мониторинга, посредством формирования и выдачи на них тестовых сигналов, осуществляет сравнение полученных откликов с нормативными значениями и выдает информацию о работоспособности датчиков/блоков/системы.

Полезная модель иллюстрируется чертежом, на котором изображена блок-схема системы мониторинга безопасности зданий, сооружений и их конструктивных частей в режиме реального времени, где:

1 - блок(и) нагружения непрерывного действия;

2 - блок определения собственных частот колебаний конструкций;

3 - блок измерения ускорений колебаний объекта;

4 - блок измерения скоростей колебаний;

5 - блок измерения амплитуд колебаний;

6 - блок измерения наклонов;

7 - блок измерения прогибов;

8 - блок измерения напряжений;

9 - блок измерения нагрузок;

10 - блок измерения абсолютной и неравномерной осадки;

11 - блок измерения геодезических параметров;

12 - блок обработки и выходной информации;

13 - блок градации выходной информации;

14 - блок передачи информации потребителям;

15 - блок измерения температуры;

16 - блок измерения влажности;

17 - блок измерения уровня грунтовых вод;

18 - блок влагомеров;

19 - блок встроенного контроля работоспособности системы и ее элементов;

20 - источник(и) бесперебойного питания;

21 - шина передачи данных;

22 - шина управления;

23 - шина питания.

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

Блоком нагружения непрерывного действия могут являться линейные двигатели.

Блоком измерения ускорений колебания объекта могут являться известные технические устройства для измерения ускорений колебаний, например, акселерометры.

Блоком измерения скоростей колебания объекта могут являться известные технические устройства для измерения скорости колебания, например, велосиметры.

Блоком измерения смещений могут являться известные технические устройства для измерения амплитуд колебания объекта, например, сейсмометры.

Блоком измерения наклонов могут являться известные технические устройства для измерения наклонов, например, наклономеры, инклинометры, клинометры.

Блоком измерения прогибов могут являться известные технические устройства для измерения прогибов, например, прогибомеры.

Блоком измерения напряжений могут являться известные технические устройства для измерения напряжений, например, тензометры.

Блоком измерения нагрузок могут являться известные технические устройства для измерения давления (нагрузок), например, датчики давления (нагрузок).

Блоком измерения абсолютной и неравномерной осадок могут являться известные технические устройства для измерения осадок, например, датчики измерения абсолютной и неравномерной осадки.

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 уровня грунтовых вод могут являться уровнемеры и сигнализаторы уровня.

Блоком измерения температуры могут являться технические устройства, использующие датчики температуры (например, термометры сопротивления, термоэлектрические термометры, и т.п.), и выдающие информацию в аналоговом и/или цифровом виде.

Блоком измерения влажности могут являться лазерные, кондукционные, кондуктометрические, нейтронные и радиометрические приборы, предназначенные для измерения влажности, технические

устройства использующие датчики влажности (например, психрометры, гигрометры).

Блоком влагомеров могут являться технические устройства использующие встроенные во внутрь конструктивных элементов датчики влажности (например, психрометры, гигрометры), кондукционные и кондуктометрические приборы, предназначенные для измерения влажности. Могут использоваться в том числе контактные и безконтактные датчики.

Блоком обработки и выходной информации может являться компьютер с инсталлированным на нем специализированным программным обеспечением.

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

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

Блок встроенного контроля работоспособности системы может содержать как самостоятельный программный модуль, так и входящий в состав специализированного программного обеспечения блока обработки и выходной информации, необходимый для формирования и выдачи тестовых сигналов на датчики системы, при проверке их работоспособности, и обработки результатов отклика.

Заявляемая полезная модель промышленно применима, а заявленная совокупность отличительных признаков обладает новой устойчивой взаимосвязью функциональных блоков, что позволяет решить заявленную техническую задачу с заявленным техническим результатом.

Система мониторинга безопасности несущих конструкций, конструктивных элементов зданий, сооружений в режиме реального времени, содержащая не менее одного блока нагружения непрерывного действия, вырабатывающего сигнал нагружения произвольно заданной формы и/или частоты, блок определения собственных частот колебаний, блок измерения ускорений колебаний, и/или блок измерения амплитуд колебаний, и/или блок измерения скоростей 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 обработки и выходной информации, блок градации выходной информации, предназначенный для категорирования уровня безопасности, блок измерения уровня грунтовых вод, блок измерения влажности, 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.