Рубцов И.В., к.т.н., профессор, Неугодников А.П., Егоров Ф.А., к.ф.-м.н., Ступаков А.А., к.т.н., доцент, Поспелов В.И., к.т.н.
Научно-исследовательская и Проектно-производственная лаборатория "Проектирование и Конструирование"
Московского Государственного Строительного Университета(НИиППЛ "ПиК" МГСУ) совместно с ЗАО "Новые технологии"

Одним из наиболее активно развивающихся строительных направлений сегодня являются вентилируемые фасады. Этот элемент современного здания настолько же популярен, насколько сложен в разработке, монтаже и эксплуатации. Говоря о вентилируемых фасадах, мы оказываемся перед лицом уникальных проблем. Любая техническая оплошность, связанная с монтажом или эксплуатацией фасада, становится сразу видна, в отличие от дефектов внутренних конструкций. Но основная проблема - в обеспечении надежности и безопасности фасадной системы при эксплуатации. Говоря проще, необходимо иметь такие фасадные конструкции, чтобы любое деструктивное изменение, вероятностно возможное в каких-либо их элементах, не стало причиной несчастного случая. При этом важно учитывать тот факт, что многие фасады смонтированы достаточно давно, а также имеется большое количество индивидуальных проектных решений, не всегда оптимальных с точки зрения безопасности. Поэтому для фасадов, уже существующих на данный момент, самой актуальной становится проблема мониторинга их состояния. Мониторинг, в зависимости от конкретной ситуации, может быть дискретным - в виде планового контроля (разовое обследование за определенный период времени), или непрерывным - путем постоянного отслеживания состояния фасадной конструкции с помощью системы датчиков.
Непрерывный мониторинг фасадных конструкций может быть реализован в двух вариантах:
1. Базовый мониторинг - организован по схеме контроля нескольких основных конструктивных узлов, заранее определенных разработчиками как места максимального потенциального риска, либо тех узлов, которые были определены как возможные источники аварийной ситуации в результате контрольного обследования специалистами промышленного альпинизма;
2. Полный мониторинг - организован по схеме искусственной нейросети, состоящей из комплекса сенсорных датчиков. Датчики контролируют заданные параметры и генерируют сигнал тревоги в случае выхода этих параметров за пределы, соответствующие безопасной эксплуатации. При этом система датчиков охватывает всю конструкцию в целом и любая область конструкции находится в зоне контроля нескольких датчиков.
Очевидно, базовый мониторинг является частным случаем полного мониторинга и, соответственно, более простым и дешевым при монтаже и эксплуатации. Базовый мониторинг представляется также более предпочтительным при необходимости контроля эксплуатируемого фасада, который был смонтирован без установки контролирующих датчиков. При этом следует отметить, что в вероятностной постановке задачи неблагоприятные изменения могут происходить в зонах, изначально определенных как устойчивые и надежные, но при некоторой комбинации внутренних и внешних воздействий эти зоны переходят в класс потенциально опасных. Поскольку заранее трудно или невозможно рассчитать место, вид и степень аварийного события в фасадной конструкции, полный мониторинг в общем случае является единственно возможным и необходимым инструментом обеспечения безопасности, а любой упрощенный или редуцированный вариант полного мониторинга увеличивает вероятность аварийного события.
Навесной фасад, как правило, принадлежность зданий, имеющих значительную высоту, и, поскольку это наружная часть сооружения, проблема разового обследования для дискретного мониторинга заключается в необходимости привлечения специалистов-высотников. При этом важно не упускать из виду то обстоятельство, что анализ состояния фасадной конструкции - не только связанная с риском работа верхолаза, однозначно определяемая как мастерство или даже искусство, но и работа, требующая высокой квалификации инженера-строителя. Находясь в специфических условиях большой высоты и будучи ограниченным в выборе вариантов организации работы, специалист, обследующий фасад, может применять только три вида диагностики: визуально-тактильный метод, использование портативной аппаратуры для неразрушающего контроля, изъятие образцов материалов либо локальных элементов конструкции для дальнейшего лабораторного испытания.
Именно в таких задачах используется промышленный альпинизм - метод попадания исполнителя в рабочую зону на высоте посредством альпинистской техники и снаряжения для выполнения конкретных работ, в частности, обследования фасада. Промышленный альпинизм настолько же уникален, насколько молод - в реестре работ и профессий он появился только в 2001 году.
Сегодня в Москве существует единственная организация промышленного альпинизма, в штате которой есть специалисты с таким редким сочетанием профессиональных качеств. На базе старейшего строительного вуза страны - Московского Государственного Строительного Университета создан и эффективно работает научно-производственный методический центр "Промышленный Альпинизм". Специалисты центра могут выполнять все работы связанные с контрольным обследованием фасада при дискретном мониторинге, а также готовить рабочие и инженерно-технические кадры для профессии. Экстренное контрольное обследование иногда бывает единственно возможным способом оценки состояния фасада. Но при правильной организации непрерывного мониторинга возможно избежать создания режима аварийности. Учитывая два основных свойства фасада (внешний элемент конструкции и существенные геометрические размеры), целесообразно организовать систему мониторинга, базирующуюся на волоконно-оптических датчиках. Волоконно-оптический световод может быть легко прикреплен к элементам фасадных конструкций. Кроме того, главным преимуществом любого волоконно-оптического датчика является возможность осуществления дистанционного контроля на расстояниях нескольких километров, что существенно перекрывает размеры фасада. При этом световод может исполнять роль кабеля-носителя для передачи оптического излучения к чувствительному элементу, расположенному в зоне измерений, но может быть и средой-носителем для передачи сигналов и одновременно являться чувствительным элементом датчика. Кроме того, парк волоконно-оптических датчиков состоит из приборов, предоставляющих возможность измерять основные параметры, требуемые для контроля и диагностики фасада: деформации, напряжения, смещения, температуру, влажность, вентилируемость в смысле скорости воздушного потока. Следует отметить, что волоконно-оптические датчики легко монтировать как при изготовлении фасадной конструкции и ее монтаже, так и устанавливать на фасад, находящийся в эксплуатации. При этом немаловажен тот факт, что, будучи изготовленным из кварцевого стекла, световод не боится климатического воздействия, и является инертным по отношению к химически агрессивным компонентам городской атмосферы. Отсутствие электрического питания и каких-либо электрических цепей в световоде определяет возможность эксплуатации волоконно-оптического датчика без риска создания пожароопасной ситуации.
Поскольку разнообразие фасадных конструкций чрезвычайно велико, то в каждом конкретном случае требуется индивидуальное решение при организации системы мониторинга состояния фасада. В этом смысле волоконно-оптические датчики представляют собой класс уникальных инструментов, имеющих: широкий спектр измеряемых параметров, конструктивную мобильность и адаптивность к различным условиям установки, малые геометрические параметры, возможность измерения в условиях воздействия мощных электромагнитных полей без потери заданной точности.
В качестве варианта рассмотрим фасад, облицованный плиткой . Установка волоконно-оптического датчика перемещений и деформаций возможна как при монтаже фасада, так и на эксплуатируемую конструкцию. Поскольку фасад состоит из определенного количества плиток, то в качестве базового объекта контроля уместно выбрать одну из них. Плитка может иметь два варианта аварийного события: смещение вследствие ослабления кронштейна или деформация самой плитки и, как результат зарождение или развитие трещины по её поверхности. Естественно, возможен вариант сочетания этих ситуаций (наложение или суперпозиция аварийных событий). Для отслеживания этих ситуаций достаточно иметь датчик в виде многоканального оптического тестера, световоды которого приклеены к поверхности контролируемой плитки. Выбрав топологию размещения световода на плитке, мы получим датчик деформаций . Для определения относительного смещения, нужно приклеить два световода - один в горизонтальном, а другой в вертикальном направлении так, чтобы помимо контрольной плитки, световод был приклеен к ближайшим соседним.
Принцип действия датчиков деформаций и перемещений основан на контроле оптической мощности светового излучения, посылаемого источником и пропускаемого через световод. Измеритель оптической мощности позволяет фиксировать выходное напряжение преобразованного оптического сигнала, в зависимости от степени деформации или смещения контролируемой плитки. В итоге датчик, при наличии не допустимого отклонения от проектного положения, сигнализирует об аварийном событии, поскольку имеет место уменьшение выходного напряжения ниже пределов, соответствующих безопасным условиям эксплуатации. Сказанное относится как к датчику перемещений так и к датчику деформаций, которые могут контролировать любые другие элементы фасадной системы.
Простота и легкость организации системы мониторинга деформаций и перемещений элементов фасада сочетается с точностью фиксации начала аварийного события. Учитывая тот факт, что оптический световод обладает высокими прочностными качествами и повышенной чувствительностью к изменению своих геометрических размеров и форм (в случае растяжения или сжатия, появления микроизгибов, микротрещин и разрывов), предложенный датчик на базе оптического тестера дает недорогой и качественный инструмент мониторинга.
В случае необходимости система контроля может быть модифицирована на любые другие фасады. При этом оптическое волокно может быть приклеено по всей поверхности фасада с максимальным охватом зоны контроля. Подобная методика позволит применять более сложные, но существенно более чувствительные интерферометрические схемы типа Маха-Цандера, Фабри-Перо; Майкельсона и т.д. В этом случае диагностика состояния волоконного световода осуществляется, как правило, с помощью различных типов рефлектометров; позволяющих анализировать разновидности обратно рассеянного в световоде излучения: Релеевского, Рамановского и Бриллюэновского. В условиях жесткой конкуренции рынка измерительных приборов немаловажен и тот факт, что существующие разработки отечественного приборостроения в классе волоконно-оптических датчиков отвечают мировым стандартам, при этом имеется достаточно развитая производственная база, а стоимость имеющихся приборов значительно ниже зарубежных аналогов. Разработанные в НИиППЛ "ПиК" МГСУ совместно с ЗАО "Новые технологии" методики мониторинга фасадов, включающие в себя контроль деформаций, перемещений и температуры на базе волоконно-оптических датчиков, демонстрируют разумное сочетание высокой точности измерений и приемлемой цены.

Дополнительную. информацию
по мониторингу фасадов можно получить по тел. (095) 187-6392
e-mail: [email protected]

вернуться к списку статей