Забезпечення безпеки експлуатації будівель і споруд з урахуванням методу віброакустичного контролю

Abstract

UK: Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою в галузі охорони праці та цивільної безпеки, у якій дано рішення актуального науково-технічного завдання з встановлення закономірностей змін віброакустичних параметрів при розвитку тріщинуватості у будівельних конструкціях, а також удосконалення методів, розробки алгоритмів і моделей керування віброакустичними коливаннями із заданими амплітудними та частотними характеристиками для визначення прихованої пошкодженості в елементах будівельних конструкцій віброакустичним методом, що має суттєве значення для підвищення безпеки й ефективності експлуатації будівель і споруд. У вступі наведено актуальність теми, мету дослідження, наукову новизну, практичне значення одержаних результатів, особистий внесок здобувача та апробацію результатів досліджень. У першому розділі проведено аналіз стану безпеки будівель і споруд при тривалій експлуатації з урахуванням руйнівних впливів вибухів та пожеж. Встановлено, що в умовах застарілого жилого фонду будівель і великої кількості надзвичайних ситуацій, які активізуються динамічними впливами від вибухів і пожеж, безумовно необхідно проводити контроль стійкості та безпеки об'єктів для оцінки їхньої придатності до подальшої експлуатації. Це відноситься як до самих інфраструктурних об'єктів безпосередньо, в ролі яких можуть виступати виробничі цехи, споруди, тунелі та інше, так і до житлових будинків. Аналіз показав, що накопичення внутрішніх пошкоджень в несучих стінах та фундаментах будівель є однією з найбільш поширених ознак потенційного руйнування в процесі експлуатації. Для моніторингу і діагностики пошкоджень добре зарекомендував себе віброакустичний метод контролю, який був апробований в різних умовах і дозволяє провести неруйнівну оцінку стану бетонних, залізобетонних, цегляних, багатошарових стін перекриттів та інших видів конструкцій. Однак для підвищення швидкості й якості визначення стану об’єктів, кількісної оцінки накопичення в їх елементах суттєвих пошкоджень необхідна розробка автоматизованого збуджувача складних коливань і вдосконалення методу ідентифікації прихованих пошкоджень віброакустичним методом. На основі проведеного аналізу було сформульовано мету та задачі дослідження. У другому розділі проведено ідентифікацію структурних порушень в матеріалах будівель і споруд віброакустичним методом. На основі вимірювань швидкостей пружних хвиль в дерев'яних, бетонних і металевих матеріалах проведена їх оцінка як коливальної системи при ударному впливі. Встановлені закономірності змін віброакустичних параметрів при розвитку тріщинуватості у будівельних конструкціях. Визначення відкритих тріщин здійснюється по стоячих хвилях, резонаторами для яких є поверхня та береги тріщин. Закриті тріщини переводять однорідну нормальну хвилю в неоднорідну, що експоненційно загасає. Встановлено, що при пошкодженні конструктивних елементів будівель і споруд виникають впорядковані та хаотичні системи тріщин, розміри яких, у випадках часткового (прихованого) внутрішнього руйнування, значно нижче області контролю. Це середовище можливо вважати квазіоднорідним, в якому системи тріщин виявляють свої властивості лише інтегрально. Тому запропоновано визначати інтегральні показники пошкодження елементів конструкцій, які зв’язані з зонами акустичної чутності резонансних хвиль. Ці хвилі фіксуються приймачем з фільтрами, які пропускають низькі частоти для різних матеріалів. На базі цих показників вже можливо ідентифікувати ризики втрати стійкості об’єкта контролю. Про-ведено апробацію методу віброакустичного контролю пошкоджень конструктивних елементів споруд на прикладі досліджень бетонних тюбінгів. Визначено ділянки з підвищеними напруженнями, зони прихованих тріщин та пошкоджень у бетоні. Зазначено, що для підвищення швидкості й якості визначення стану об’єктів і структури накопичення в їх елементах суттєвих пошкоджень потрібна автоматизація віброакустичного методу, розробка моделей складних коливань та підвищення достовірності оцінок руйнувань.

EN: The dissertation is a completed research work in the field of labor protection and civil safety, which provides the solution to the current scientific and technical task - to establish the regularities of changes in vibroacoustic parameters during the crack development in building structures and to improve methods and develop algorithms and models for controlling vibroacoustic oscillations with given amplitude and frequency characteristics for determining hidden damage in building structure elements by vibroacoustic method, which is essential for in-creasing the safety and efficiency of building and construction operations. In the introduction, the relevance of the topic, the purpose of the research, scientific novelty, the practical significance of the obtained results, the recipient’s personal contribution and the approbation of the research results are given. In the first chapter, safety condition of buildings and structures during their long-term operation is analyzed with taking into account the destructive effects of explosions and fires. It is established that in the conditions of an overage housing stock and buildings and a great number of emergency situations, which become more intensive due to the dynamic impacts of explosions and fires, it is absolutely necessary to control stability and safety of the objects and to assess their suitability for further operation. This applies both to the infrastructural objects, which can include production shops, structures, tunnels, etc., and residential buildings. The analysis shows that accumulation of internal damages in load-bearing walls and foundations of the buildings is one of the most common signs of potential destruction during their operation. The vibroacoustic control method has proven itself well for monitoring and diagnosing the damages, it was tested in various conditions and allows for a non-destructive assessment of the condition of concrete, reinforced concrete, brick, multi-layered walls, ceilings and other types of structures. However, in order to improve the speed and quality of determining condition of the objects and making quantitative assessment of the accumulation of significant damages in the object elements, it is necessary to develop an automated exciter of complex oscillations and to improve the method of identifying hidden damages using the vibroacoustic method. Based on the analysis, the purpose and objectives of the research were formulated. In the second chapter, identification of structural damages in the materials of buildings and structures using the vibroacoustic method is shown. On the basis of the measurements of the velocities of elastic waves in wooden, concrete, and metal materials, these materials are assessed as an oscillating system under the impact action. The established patterns of changes in vibroacoustic parameters during the crack development in building structures are presented. Open cracks are determined by standing waves, the resonators for which are the surface and the edges of the cracks. Closed cracks transfer a uniform normal wave into a heterogeneous one which decays exponentially. It is further established that when structural elements of buildings and structures are damaged, ordered and chaotic systems of cracks appear, the sizes of which, in cases of partial (hidden) internal destruction, are significantly below the area under the control. This environment can be considered quasi-homogeneous, in which crack systems reveal their properties only integrally. Therefore, it is proposed to determine the integral damage indicators of the structure elements that are connected to the zones of acoustic audibility of resonant waves. These waves are captured by a receiver with low-pass filters for various materials. On the basis of these indicators, it is already possible to identify the risks of loss of stability of the object under the control. Approbation of the method of vibroacoustic damage control of the building structural elements was carried out on the example of studying concrete tubings. Areas with increased stresses, zones of hidden cracks and damages in concrete were identified. It is stated that in order to increase the speed and quality of determining the conditions of objects and the structure of accumulation of significant damages in their elements, the automation of the vibroacoustic method, the development of models of complex oscillations, and the improvement of the reliability of damage assessments are required.