Главная Журнал / Journal
Печать

Академический вестник УралНИИпроект РААСН - 4-2010

СТРОИТЕЛЬНЫЕ НАУКИ

УДК 624.04

ОЛЕНЬКЛВ В.Д. - профессор архитектурно-строительного факультета ЮУрГу, чл.-корр. Академии архитектурного наследия
e-mail:centernasledie@ mail.ru

ПОПОВ Д.С. - инженер Управления науч­ных исследований ЮУрГУ
e-mail:centernasledie@ mail.ru

АВТОМАТИЗАЦИЯ ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ КУЛЬТОВЫХ ПАМЯТНИКОВ АРХИТЕКТУРЫ

В статье рассматриваются проблемы и методы оценки технического состояния культо­вых памятников архитектуры. Авторами предложена методика диагностики техничес­кого состояния культовых памятников архитектуры, которая позволяет минимизировать ошибки на этапе обмерных работ, при создании расчетной схемы и расчете конструкций зданий и сооружений. В статье авторы высоко оценивают данную методику, имеющую большие перспективы развития.

Ключевые слова: диагностика технического состояния, лазерное сканирование, автоматизация обработки данных, конечно-элементное моделирование.


OLENKOV V.D.

POPOV D.S.

AUTOMATION OF DIAGNOSTICS OF THE TECHNICAL CONDITION OF CULT MONUMENTS OF ARCHITECTURE

The article deals with the problems and methods for assessing the technical condition of cult monuments of architecture. The authors proposed the method of testing the technical state of cult monuments of architecture. The technique minimizes errors during manual operations. The technique allows to minimize errors in the performance of a design scheme and calculation cf buildings and structures. The authors appreciate this technique, which has great prospects for development.

Keywords: diagnostic troubleshooting, laser scanning, data processing automation, finite element modulation.


При диагностике технического со­стояния зданий культовых па­мятников архитектуры эксперты часто сталкиваются со сложными случаями деформаций и разрушений несущих конструкций. В первую очередь это связано с тем, что такие сооружения за долгое время своего существования испытали действие множества факторов, негативно повлиявших на техническое состояние конструкций. Морозные разрушения кладки, деформации грунтов основания, корро­зия металла, механические повреждения и утраты целых элементов могут не только исказить, но и принципиально изменить начальную конструк­тивную схему здания.

Рисунок 1. Обмерный чертеж южного фасада церкви. Получен полуавтоматическим способом.

В настоящее время компетентность диагнос­тики технического состояния зданий и сооруже­ний зависит, в первую очередь, от квалификации специалиста, проводящего инженерные исследо­вания. При этом нередки случаи принятия невер­ных технических решений, осуществленных на основе ошибочных представлений о работе конс­трукций или неполной диагностики, не учитыва­ющей действие каких-либо скрытых факторов. Для уменьшения количества «человеческого фактора» в процессе определения технического состояния зданий и сооружений была разработа­на и опробована методика диагностики, основан­ная на том, чтобы свести к минимуму количество ручных операций на всех этапах работ над иссле­дуемым объектом. Суть методики заключается в объединении данных, полученных различными инструментами и приборами (лазерный сканер, георадар, тепловизор, ультразвуковые измери­тели и т. д.), в единое информационное поле и цифровую модель здания.

Данная методика использовалась на следую­щих культовых памятниках архитектуры:

•   Церковь Покрова Пресвятой Богородицы в с. Большой Куяш Челябинской области (1812 г. постройки);

•   Церковь Иоанна Предтечи в г. Катав-Ива-новск Челябинской области (1824 г. пост­ройки);

•   Церковь Александра Невского в с. Харино Че­лябинской области (1910 г. постройки);

•   Церковь Александра Невского в г.Челябинске (1911 г. постройки).

Рассмотрим применение методики на приме­ре диагностики памятника архитектуры начала XIX в. - Церкви Покрова Пресвятой Богородицы в селе Большой Куяш Челябинской области.

Кирпичное здание церкви постро­ено в 1812 г. Центрально-осевая объ­емно-пространственная композиция здания составлена из большого объема храма, вытянутого объема притвора с колокольней, соединенного с храмом посредством трапезной, а также пря­моугольной апсиды, примыкающей с востока. Южный и северный фасады храма акцентированы четырехколонным портиком с фронтоном. Двухъя­русная колокольня, возвышающаяся над притвором, выполнена в форме четверика. Колокольня завершается ступенчатым карнизом и коробовым завершением, прорезанным четырьмя люкарнами.

Здание с жесткой конструктивной схемой: несущие наружные и внутрен­ние кирпичные стены с внутренним связевым каркасом из металлических стержней. Фундаменты ленточные, бутовые, выложенные из рваного бу­тового камня на известково-песчаном растворе. Перекрытия - сводчатые кирпичные.

В качестве церкви здание эксплу­атировалось до 1936 г. После 1937 г. здание переоборудовали сначала под клуб, затем под склад. В настоящее время здание не эксплуатируется.

Работа по инженерному обследо­ванию конструкций здания проводи­лась в апреле-июне 2010 г. В результа­те визуального осмотра объекта было установлено, что здание имеет мно­гочисленные повреждения несущих конструкций:

•   поверхностные морозные разруше­ния кладки;

•   выпадение отдельных кирпичей и частей кладки по всему зданию;

•   диагональные трещины наружных и внутренних стен;

•   ряд пробитых отверстий в сводча­тых перекрытиях;

• разорванные металлические стерж­ни связевого каркаса. Основной причиной такого состо­яния конструкций стало длительное воздействие атмосферных осадков при отсутствии кровли над притвором, тра­пезной, алтарной частью, портиками, а также полном отсутствии водосточной системы и отмостки вокруг здания.

Наиболее опасным дефектом яв­ляется уменьшение рабочей толщины сводов (над трапезной и апсидой) в ре­зультате промораживания наружных слоев кладки. С целью определения их остаточной несущей способности и возможности обрушения необхо­димо было провести статический расчет. При этом надо было учесть неравномерную рабочую толщину сводов, неодинаковую прочность кладки в различных местах сводов, оценить влияние пробитых отверстий и стрежневого каркаса на их несущую способность.

Следует отметить, что особен­ностью арок и сводов из кладочного материала является многообразие их возможных трансформаций, изменя­емость рабочей схемы под действием нагрузки, а также их совместная рабо­та со связевым каркасом здания. Все это требует детального представления о работе конструкции, механизме ее разрушения или деформации, о харак­тере перераспределения внутренних сил при работе по измененной схеме и др. Даже небольшие ошибки при определении геометрии таких конс­трукций, составлении расчетной схемы могут привести к полностью неверным результатам и, соответственно, приня­тию некорректных технических реше­ний. Традиционная методика расчета сводов, при которой каждый тип свода представляется как система элементар­ных арок или полуарок, образующих форму свода и несущих свою часть нагрузки, в данном случае подходила мало, поскольку, выделив для расчета элементарную арку, нельзя учесть всех факторов, описанных выше. Если же выделить и рассчитать по отдельнос­ти множество арок, а затем оценить их взаимное влияние, то такая задача окажется слишком трудоемкой, при этом точность расчета также не будет исчерпывающей. Наилучшим вариан­том является расчет точной цифровой модели всего здания, при котором бу­дет учтено взаимное влияние всех эле­ментов несущих конструкций, наличие трещин, отверстий, каналов, металли­ческого связевого каркаса, неравно­мерная прочность кладки и т. д.

Рисунок 2. Существующий объект Рисунок 3. Оцифрованное облако точек
Рисунок 4. Конечно-элементная модель Рисунок 5. Расчет конечно-элементной модели

Для получения такой цифровой мо­дели сводов и всего здания на полевом этапе работ проводилась трехмерная лазерная съемка объекта, в результа­те которой было получено цифровое облако отсканированных точек.

На камеральном этапе работ вы­полнялись следующие операции:

1   По облаку точек определялись ве­личины вертикальных и горизон­тальных отклонений конструкций здания.

2   Оцифрованное облако точек с по­мощью ряда программных комп­лексов конвертировалось в CAD-модель.

3   Из CAD-модели в полуавтомати­ческом режиме были созданы вы­сокоточные чертежи объекта (ри­сунок 1).

4   CAD-модель оптимизировалась (под оптимизацией подразумева­ется упрощение расчетной модели в зависимости от поставленных за­дач) и конвертировалась в конечно-элементную модель (рисунок 4).

5   Назначены параметры конечно-элементной модели (жесткости элементов, связи и т. д.), нагрузки на узлы и элементы, добавлены не­обходимые данные с других при­боров и инструментов (параметры и местоположение металлических связей, закладных деталей и т. д.)

6   Произведен расчет конечно-эле­ментной модели (рисунок 5).

7   По результатам расчета выявлены места с максимальными напря­жениями в кирпичной кладке, с высокой точностью установлена несущая способность сводов и воз­можность их обрушения, спрогно­зирована возможность увеличения раскрытия трещин и т. д. Следует особо отметить, что с по­мощью лазерного сканера можно по­лучить только облако точек, т. е. мас­сив данных, содержащий информацию о XYZ-координатах отсканированных точек объекта. Облако точек само по себе не является расчетной моделью здания - это только исходные данные о точной геометрии объекта. Также нужно сказать, что к настоящему вре­мени не разработано программного обеспечения, предназначенного для конвертации облаков точек строитель­ных объектов в расчетные модели зда­ний. Поэтому для назначенных целей, во-первых, использовалось модифи­цированное программное обеспече­ние, предназначенное для машино­строения; во-вторых, был разработан программный модуль для расчетного комплекса Ansys, с помощью которого был оптимизирован процесс получе­ния расчетной конечно-элементной модели. Этот модуль является ядром, через которое осуществляется обмен данных между различными програм­мами и приборами. Программное обеспечение Ansys было выбрано в первую очередь из-за высокой ско­рости и точности разбивки модели на конечные элементы, так как при лазер­ном сканировании приходится иметь дело с большими массивами данных (в рассмотренном примере количество отсканированных точек составляет 22 миллиона).

Заключение 

Предложенная методика автомати­зации диагностики позволяет миними­зировать ошибки на этапе обмерных работ, при создании расчетной схемы и расчете конструкций зданий и соору­жений.

Данная методика имеет большие перспективы развития. Например, с помощью данных, полученных с геора­даров, можно автоматически извлечь информацию о наличии пустот, де­фектов, арматуры и других элементов внутри конструкций (лазерное скани­рование дает информацию только о поверхности конструкций). Примене­ние информации, полученной с уль­тразвуковых измерителей прочности и плотности, может автоматизировать сбор нагрузок, исключить ненужные для расчета материалы. Интегри­рование всех этих данных в единое информационное поле и цифровую модель здания значительно повыша­ет точность и скорость диагностики технического состояния памятников архитектуры.


 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1   СП 13-102-2003. Правила обследо­вания несущих строительных конс­трукций зданий и сооружений. М., 2004.

2   СП 31-103-99. Здания, сооружения и комплексы православных храмов. М., 1999.

3   МДС 11-17.2004. Правила обследо­вания зданий, сооружений и комп­лексов богослужебного и вспомо­гательного назначения. М., 2003.

4   МДС 31.9-2003.  Православные храмы и комплексы. Пособие по проектированию и строительству. М., 2003.

5   СНиП П-22-81. Каменные и ар-мокаменные конструкции. Нормы проектирования. М., 1983.

6   Сашурин А. Д., Панкина Н. А. Влияние земных разломов на про­чностные характеристики зданий и сооружений // Академический вестник УралНИИпроект РААСН. 2010. №1. 

 Скачать статью

 





 

Федеральное государственное бюджетное учреждение Ордена "Знак почета"
Уральский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт
Российской академии архитектуры и строительных наук
Екатеринбург, Ленина 50а, e-mail: mail@uniip.ru, тел. (343) 350 65 49
 
© 2001-2010
 
Яндекс.Метрика