Диагноз ставит "Струна"

Адаменко И. Диагноз ставит "Струна" // Наука и жизнь. 2003 . №6. C. 46-49

"Я не могу принять у вас работу? Работу у вас примет только приличное землетрясение", - так говорил один из героев повести "Альтернатива вершины Ключ" Ю. Визбора и был, как выяснилось, прав. Расчеты - расчетами, но они не всегда верны, да и люди, как заметил другой литературный персонаж, - всегда люди. Книги повествуют о том, что архитекторы вставали под спроектированные ими мосты, на которые когда-то загоняли телеги с булыжниками, а позднее - груженые составы с песком. Оценить a priori реальную устойчивость различных зданий и сооружений в условиях как обычных, так и чрезвычайных нагрузок очень сложно. Но можно ли поставить точный диагноз здания, не испытывая его на "грузоустойчивость"? Уникальный диагностический комплекс разработали специалисты московского Центра исследований экстремальных ситуаций (ЦИЭКС) кандидаты технических наук С. П. Сущев, В. И. Ларионов, В. Н. Сотин, Н. Н. Хлапов. Система позволяет быстро и эффективно оценить устойчивость практически любого здания, найти его "слабые места" и выяснить, сколько оно еще простоит, какие потрясения способно перенести, а какие будут для него губительны. Вот что рассказал о разработке главный инженер ЦИЭКСа кандидат технических наук Иван Арсентьевич Адаменко.



Иногда состояние конструкции проверяют по старинке - методом статического нагружения. К примеру, когда сдавали здание Московского международного Дома музыки на Краснохолмской набережной, то зал заполнили мешками с песком, чтобы смоделировать реальную нагрузку. Когда-то арены заполняли солдатами "с полной выкладкой", заставляли их прыгать по команде. Разумеется, в рамках такого подхода возможны лишь ответы "да - нет" - устоит здание или рухнет. Очень длительный, трудоемкий, малоинформативный да и просто опасный метод.

Конечно, есть и другие способы, которые позволяют провести экспертизу различных сооружений на их устойчивость. До сих пор важнейший из них - элементарный осмотр здания. Трещины, разломы, отвалившаяся штукатурка - все это может быть признаком серьезных дефектов конструкции. Значит, надо все здание обойти, везде, как говорится, пролезть и все увидеть. Задача не из легких, а иногда просто невыполнимая. Существуют, разумеется, и современные инструментальные методы, позволяющие, как рентгеном, просветить те или иные участки конструкций и оценить их состояние, определить прочность материалов, из которых они сделаны. Есть мобильные компактные приборы, основанные на применении электромагнитных и ультразвуковых методов. Они предполагают необходимость тщательного инструментального обследования всего здания целиком, каждой колонны, каждой балки, каждого перекрытия - длительный, сложный, трудоемкий процесс и тоже далеко не всегда выполнимый.

Правда, есть еще и так называемый динамический метод. На здания действуют движения почвы. Малейшие вибрации, человеком совершенно не ощутимые, передаются стоящим на земле постройкам, которые тоже слегка колеблются. Причем любому зданию, так же как и любой конструкции, присущи только ему свойственные собственные частоты колебаний. Каждое здание "звучит" своим, характерным для него голосом, и частота этого голоса определяется конкретными параметрами данного здания или конструкции. Поначалу, когда дом только-только построен, он еще прочный, жесткий, все части у него плотно пригнаны одна к другой. Потому и "поет" он высоким голосом. Ну а чем старше становится дом, чем больше дефектов накапливается в теле здания, тем ниже частота его колебаний - ниже его "голос". Вспомним хотя бы, как проверяют посуду в магазине. После легкого удара по целой чашке или блюдцу раздается чистый, высокий звон, а если фаянс с трещинкой - дребезжащий звук.

Значит, вопрос в том, чтобы "услышать голос дома" и по его частоте поставить диагноз - насколько он постарел, долго ли еще простоит, есть ли у него "слабые места" и где они. Но как измерить столь слабые, неразличимые без соответствующих приборов колебания? Разумеется, нужны специальные датчики. Они есть, но чувствительность у них, скажем прямо, невелика. В результате динамические испытания здания выглядят буквально так. Подъезжают две машины с оборудованием, каждая размером с КАМаз, и рабочие специальным устройством вроде отбойного молотка (его называют "вибратор") колотят по земле. Дальше все идет в соответствии с поговоркой: гром гремит, земля трясется. Колебания грунта приводят к колебанию сначала фундамента, а потом и всего сооружения. Причем трясти дом приходится основательно - ведь иначе датчик, закрепленный на стене, ничего не почувствует. Чтобы повысить его чувствительность, приходится даже снимать со стены под ним слой штукатурки.

На фоне такого "зубодробильного" метода комплекс "Струна" кажется легким и остроумным мальчиком -с-пальчик рядом с тупоголовым великаном. Основа всего диагностического комплекса - уникальные, не имеющие аналогов датчики, придуманные и запатентованные конструкторами центра. Полное название этих замечательно чутких приборов - широкополосные высокоточные преобразователи вибрации акселерометрического типа. Устроены они так.

В датчике есть три тонких и плоских керамических стерженька. Это пьезоэлементы, каждый из которых "отвечает" за "свое" направление колебательных движений корпуса датчика, а вместе с ним - и всего здания в пространстве. При малейшем колебании корпуса стерженьки изгибаются и на их поверхности появляется электрический заряд. Величина заряда пропорциональна величине изгиба пластины, то есть чем сильнее колеблется корпус прибора, тем сильнее гнется пьезоэлемент, тем больше электрический сигнал. Использование же трех пьезоэлементов позволяет зафиксировать колебания во всех трех направлениях и преобразовать их в электрические сигналы.

Кстати говоря, приборчик этот совсем небольшой - размером с диктофон или плеер, только потолще, и очень легкий. Весит он 150 граммов и легко удерживается на стене с помощью обычной двусторонней клеящейся ленты. Необходимость расковыривать штукатурку при этом отпадает.

Уникальность таких датчиков и в том, что работают они в исключительно широком диапазоне частот - от 0,1 до 150 Гц. Это позволяет чуткому "уху" комплекса различить колебания зданий любого качества и любой степени износа - от совсем новых и крепких до готовых обрушиться "инвалидов", от высоток и промышленных дымовых труб до низких монолитных сооружений.

Радиопередатчик, вмонтированный в корпус "умного" прибора, передает усиленные сигналы на так называемый базовый модуль. База может находиться на весьма значительном расстоянии от датчиков - вплоть до 1 км. Задача базового модуля - принять сигналы с датчиков (всего их в комплексе пять), оцифровать (для чего предусмотрен преобразователь) и передать на переносной компьютер. Специальное программное обеспечение, разработанное в ЦИЭКСе, позволяет проанализировать поступающие сигналы и в конечном итоге определить устойчивость, сейсмостойкость и физический износ проверяемого здания или сооружения.

Чувствительность комплекса исключительно высока. Он позволяет обнаружить даже прислонившегося к стене человека по биению его сердца, не говоря уже о колебаниях самого здания. Но у этой медали, конечно, есть и оборотная сторона. Речь идет о шумовом фоне от вибраций, которые возникают из-за того, что по зданию ходят люди, мимо него проезжают машины и так далее. Чтобы решить эту проблему, конструкторы, во-первых, научились отфильтровывать шумы. А во-вторых, помогает искусственный источник вибрации (его по-прежнему приходится применять). Правда, это не отбойный молоток, от которого дрожат стены любой крепости, а всего лишь мешок с песком, которым, как боксерской грушей, ударяют по зданию. Для человека такая вибрация незаметна, для дома - безопасна. Зато новые датчики ее легко фиксируют и измеряют, а компьютеру в этом случае проще выделить частоту собственных колебаний всей конструкции.

В результате в распоряжении экспертов оказывается масса полезной информации о реальном состоянии "подопытного" здания. Частота и амплитуда собственных колебаний с помощью вполне стандартных расчетов указывают на прочность и жесткость конструкции в целом. Новое здание данной конструкции, выстроенное в точном соответствии с проектом, колеблется со вполне определенной частотой. Отклонение от этой величины, в подавляющем большинстве случаев в сторону более низких частот, указывает на большую степень износа, наличие дефектов или даже разрушений.

Компьютерное обеспечение позволяет визуализировать колебания здания. Исходя из полученных данных (так называемых акселерограмм) компьютер определяет параметры собственных колебаний здания - периоды и частоты. Затем он строит диаграммы (эпюры) - распределения амплитуд колебаний по длине, высоте или ширине здания либо вообще по любым геометрическим параметрам конструкции. Так можно узнать, а именно - увидеть на экране компьютера, как колебания распространяются внутри постройки. Если здание колеблется как единое целое - очень хорошо, шансы устоять у него высоки, поскольку нагрузки распределены равномерно. Если же часть здания колеблется по одному закону, а часть - по другому, на соответствующей картинке колебаний появляется так называемый разрыв сплошности. Это наверняка слабое место постройки, здесь есть скрытые дефекты.

Теперь, зная точную локализацию дефектов, можно использовать и обычные инструментальные методы. Они позволяют выяснить, в чем дело и можно ли устранить источник потенциальной опасности. Сколько времени, сил и средств удается сэкономить, трудно даже вообразить. С помощью такого мобильного беспроводного диагностического комплекса, который весит-то всего 9 кг и весь умещается на небольшом столике, оценить устойчивость здания можно всего за два дня.

Надо сказать, до этого у создателей был другой вариант комплекса. Он устроен проще, но использовать его труднее. Датчики соединялись в нем с базовым модулем проводами, а это создавало порой массу сложностей. Ведь на работающем производстве кабель не везде можно протянуть, да и таскать 20-килограммовые катушки с проводами - дело невеселое. Радиофицированный комплекс ("Стрела") в работе оказался гораздо удобнее.

Пока в ЦИЭКСе сделали всего пять таких комплексов: четыре проводных ("Струна") (два - для МЧС, два - для себя) и один беспроводной ("Стрела"). Но нужно их, конечно, гораздо больше. Ведь и работы - непочатый край. Старинные особняки, прекрасные памятники архитектуры, сделаны на совесть. Но со времени их постройки прошло очень много лет. Поэтому необходимо совершенно точно знать, насколько они постарели, могут ли еще постоять или находятся в аварийном состоянии и придется их усиливать или сносить, несмотря на красоту.

Обычные жилые дома, возведенные десятки лет назад, похвастаться высочайшим качеством, как правило, не могут. Да и выстроены они были зачастую с самыми разнообразными отклонениями от проектов: там плиты как следует не соединили, тут использовали цемент не той марки, которая предусмотрена техническими условиями, зато построили побыстрее и получили премию за перевыполнение плана. Значит, необходимо выявить состояние "скороспелок". Традиционные методы диагностики не позволяют быстро охватить весь гигантский массив работы - обследовать нужно тысячи зданий, включая и промышленные и жилые. Комплекс "Струна" делает эту задачу выполнимой.

Специалисты центра - кандидаты технических наук Н. А. Самолинов, С. П. Коряжин, О. Г. Гордеева уже многое сделали по внедрению диагностического комплекса в практику обследования зданий и сооружений. Возможно, самая яркая, показательная работа - это оценка состояния здания Главного вычислительного центра Центробанка РФ. Дело в том, что его сдали в эксплуатацию совсем недавно, в 1996 году, а вот строили больше 10 лет. Специалисты ЦИЭКСа подробнейшим образом исследовали и высотную часть здания, и прилегающие постройки и выяснили немало интересного.

Стало ясно, что строили высотку в два приема двумя разными методами. Начали поосновательнее, с монолитными конструкциями. А потом, в разгар перестройки, возможно, решили "поменять коней на переправе": на уровне 10-14-го этажей строители "передумали" и стали делать так называемую диафрагму жесткости здания не монолитную, а сборную. Это, конечно, быстрее, дешевле, но вот незадача - теперь здание колеблется не как единое целое, по одному закону, а как составное - из двух частей. Так определилось "слабое место" высотки. При обычных нагрузках устойчивость у него достаточная, а в экстремальных ситуациях могут возникнуть проблемы - появятся сдвиговые деформации.

Затем обнаружились более мелкие скрытые дефекты: там плиты между собой не соединены как следует (не зачеканены), а только сверху швы замазаны, там арматура, как должно, н