Проведение мониторинга напряженного состояния конструкций радиотелевизионной передающей станции в городе Владикавказе

Введение

В соответствии с ГОСТ 31937-2011 «Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния» [1] мониторингу технического состояния подлежат уникальные здания и сооружения для повышения степени обеспечения их безопасного функционирования, а также для отслеживания степени и скорости изменения технического состояния их несущих конструкций и своевременного принятия в случае негативного изменения напряженно-деформированного состояния конструкций, экстренных мер по предотвращению их обрушений.

По терминологии Градостроительного Кодекса РФ [2] и статьи 15 Федерального закона № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» [3] к уникальным относятся здания и сооружения с высотой, превышающей 100 м, а также сооружения, где используются конструкции и конструктивные схемы с применением нестандартных или специально разработанных методов расчета или требующих проверки на физических моделях.

Радиотелевизионная передающая станция (РТПС), возводимая в г. Владикавказе, имеет уровень ответственности сооружения «повышенный», класс сооружения КС-3, высоту по проекту 210 м, поэтому она относится к уникальным сооружениям, подлежащим мониторингу.

Первым положительным опытом проведения мониторинга с использованием разработанных сотрудниками ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко АО «НИЦ «Строительство» приборов был мониторинг покрытия Большой спортивной арены (БСА) «Лужники», проводившийся с 1996 года [4][5].

Используемые приборы

В процессе мониторинга в элементах конструкций радиотелевизионной передающей станции в г. Владикавказе [6] деформации (напряжения) измерялись запатентованными (рис. 1) ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко механическими тензометрами ТМИ-500М с использованием деформометров ИЧ-10 (рис. 2).

При определении деформаций учитывались поправки на температуру. Измерение температуры конструкции, штанги и калибра проводилось электронным контактным термометром ТК5-О1П, изготовленным фирмой Техно АС (рис. 3).

Пределы измерений термометра расположены в диапазоне от –20 до +200 °C.

Конструктивные особенности башни

Взамен устаревшей телевизионной вышки (рис. 4а) в 2022 г. в городе Владикавказе началось строительство новой башни. Радиотелевизионная передающая станция в городе Владикавказе по проекту представляет собой антенно-башенное сооружение – восьмиугольную решетчатую башню общей высотой 210 м с уменьшающимся к верху диаметром (от 28,766 м в основании и до 3 м вверху). Выше – квадратное сечение со стороной от 3 м, уменьшающееся по высоте до 2,5 м. Выше устанавливается готовая антенная ферма с обтекателями и панелями (рис. 4б).

Сечения элементов башни – из круглых труб, собираемых в узлах на болтовых фланцевых соединениях. Узлы конструкции и стержни башни поставлялись заводом в готовом виде с фланцами (рис. 5). Конструкция монтировалась на каждом уровне по периметру башни с помощью кранов (рис. 6).

Организация и методика проведения измерений

Как известно, в случае использования электромеханических или электронных систем измерений возможна реальная угроза повреждения или утраты закрепленных на конструкциях самих приборов или соединительных кабелей для электромеханических датчиков. Также может привести к их повреждению воздействие на электромеханические или электронные датчики атмосферных осадков и электромагнитного излучения от сварочных работ или другого строительно-монтажного оборудования.

Принятая для проведения измерений система регистрации напряжений в элементах конструкций РТПС в г. Владикавказе с помощью механических тензометров типа ТМИ со съемными деформометрами является более надежной.

Места расположения измерительных механических тензометров для проведения работ по мониторингу напряженного состояния конструкций башни в процессе монтажа представлены на рис. 7 и 8.

Установка приспособлений под механические тензометры типа ТМИ со съемными деформометрами и защитными устройствами для них показана на рис. 9.

Тензометр ТМИ-500М представляет собой базу с удлиненным стержнем, стационарно закрепляемую на исследуемой строительной конструкции, и съемное измерительное устройство (деформометр), выполненное на основе серийного индикатора часового типа ИЧ-10, с помощью которого определяется изменение длины измерительной базы, принятой для данного типа тензометра (500 мм).

Тарировка механического деформометра производится при помощи специально изготовленного в ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко калибра (рис. 10 и 11) и осуществляется при проведении каждого цикла измерений.

После каждого этапа монтажа башни с деформометров снимались показания (рис. 12), которые сравнивались с нулевыми. По результатам измерений деформаций с помощью деформометров по закону Гука определялись напряжения в элементах башни. При этом учитывалась вся история нагружения конструкции с момента ее возведения до проведения измерения на текущем этапе.

Показание деформометра в составе механического тензометра позволяет определить напряжение, возникающее в месте установки прибора, по закону Гука:

σ = Еε,

где σ – напряжение в конструкции;

Е – модуль упругости материала;

ε = ΔL/L – относительная деформация;

ΔL – абсолютная деформация;

L – измерительная база прибора (в данном случае 50 см).

Если одно деление шкалы прибора ИЧ-10 (ΔL) составляет 0,01 мм, или 0,001 см, абсолютная деформация, соответствующая одному делению шкалы прибора, будет соответствовать напряжению σ = 2,1 × 10⁶ × (0,001/50) = 42 кг/см² = 4,2 МПа.

При определении деформации волокна сечения элемента конструкции, полученная от внешних нагрузок, при измерении ее механическим тензометром ТМИ-500М, суммировалась с температурными деформациями.

Учет температурных поправок вводится из-за того, что температура самой конструкции, температура штанги базы механического тензометра и температура контрольного калибра прибора могут различаться. В общем виде база тензометра, штанга и скоба калибра характеризуются длиной (L, L_ш, L_c) и температурой (t, t_ш, t_c) соответственно.

Штанга, база тензометра и контрольный калибр изготовлены из одинаковой стали и имеют коэффициент линейного расширения, равный α = 12 × 10⁻⁶. В зависимости от базы тензометра длина штанги L_ш = β × L и длина калибра L_c = ξ × L. Здесь β и ξ – части базы тензометра, β + ξ = 1.

Разность температуры базы тензометра и штанги Δt_ш = t – t_ш. Деформация штанги от действия температуры будет равна Δ_ш = α × Δt_ш × L_ш.

Разность температуры базы тензометра и калибра Δt_c = t – t_с. Деформация калибра от действия температуры Δ_с = α × Δt_с × L_с.

Общая деформация от действия температуры Δt = Δ_ш + Δ_с, или:

Δt = α × (t – t_ш) × β × L + α × (t – t_с) × ξ × L = = α × L × [t(β + ξ) – β × t_ш – ξ × t_с].

Учитывая, что β + ξ = 1, а одно деление деформометра ТМИ-500М составляет 0,01 мм, температурную деформацию следует вычислять по формуле:

Δt = 100 × α × L × (t – β × t_ш – ξ × t_с).

Для механического тензометра ТМИ-500М (при L = 500 мм; L_ш = 305 мм; L_c = 195 мм; α × L = 12 × 10⁻⁶ × 500 = 0,006 мм; β = 0,61; ξ = 0,39) формула для вычисления температурной деформации принимает вид:

Δt = 0,234 × (t – t_с) + 0,366 × (t – t_ш),

здесь Δt измеряется в количестве делений индикатора.

Результаты измерений напряженного состояния

В период проведения мониторинга снятие отсчетов производилось с деформометров, установленных на фактических местах: на отм. +1,700 и на отм. +40,047 (отметка 1,7 м принята исходя из удобства расположения приборов во время монтажа и дальнейшей работы по выполнению замеров), и фиксировалось в промежуточных отчетах по 9-ти этапам.

В результате анализа полученных данных было выявлено, что элементы башни испытывают сжатие от веса вышевозведенных элементов. Фактическая ветровая нагрузка не оказывала существенного влияния на напряженное состояние башни на момент проведения измерений. Однако на отдельных элементах она начинает уменьшать сжатие от собственного веса элементов башни. С увеличением высоты сооружения этот факт более нагляден.

Максимальные напряжения в элементах конструкции (без учета сейсмической нагрузки) составили 462 кгс/см², что позволяет прогнозировать обеспечение несущей способности конструкции при возможном увеличении действующих нагрузок.

Геодезическое наблюдение за состоянием конструкций башни выполнялось с периодичностью, совпадающей с периодичностью мониторинга напряженного состояния.

Для оценки перемещений конструкции башни был выполнен анализ данных геодезических измерений, проводимых ПСК «БелЭнергоСтрой» [7], где представлены исполнительные геодезические схемы вертикальности ствола секций от 0,2 до 199,967 м по высоте, а также выполнена съемка вертикальности всех конструкций башни.

Анализ представленных результатов съемки в период мониторинга показал, что измеренные реальные величины отклонений не превышали предельных допустимых значений, указанных в СП 70.13330.2012 [8].

Выводы

1. Элементы смонтированных стальных конструкций радиотелевизионной башни в г. Владикавказе испытывали в основном сжимающие напряжения от собственного веса конструкции башни.
2. Ветровая нагрузка в момент измерений не оказывала существенного влияния на несущую способность элементов башни.
3. Сейсмическая нагрузка на башню на момент измерений не зафиксирована.
4. Максимальные напряжения в элементах конструкции (без учета сейсмической нагрузки) составили 462 кгс/см².
5. Измерения параметров деформированного состояния и проведенный по полученным данным анализ показали, что имеющиеся отклонения от проектного положения контрольных точек не превышали допустимых величин, приведенных в нормативных документах, действующих на территории Российской Федерации.
6. Работу по измерению напряженно-деформированного состояния следует считать законченной. Каркас башни успешно собран и ее несущая способность обеспечена.
7. Результаты научно-технического сопровождения (в т. ч. мониторинга) строительства башни позволили считать техническое состояние смонтированной башни исправным (по ГОСТ 31937-2011 [1]).