СМИК уникального спортивного объекта Большая спортивная арена (БСА) «Лужники». Проект «СМИС Эксперт»

Реализованный проект «СМИС Эксперт». Система мониторинга инженерных (несущих) конструкций (СМИК) объекта «Большая спортивная арена (БСА) Олимпийского комплекса «Лужники» (Москва). Проект выполнялся в рамках реконструкции стадиона к Чемпионату мира по футболу 2018 г.

Системы: ССП СМИС, СМИК

Заказчик: ООО "ЛАНИТ-Интеграция"

Дата: 22 августа 2016 г.

СМИК объекта (БСА) «Лужники» - создавалась как подсистема системы мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений (СМИС) «Большая спортивная арена Олимпийского комплекса «Лужники».  

«СМИС Эксперт» - один из ведущих поставщиков программно-технических средств современных автоматизированных систем, при помощи которых осуществляется мониторинг и управление инженерными системами, несущими конструкциями уникальных зданий и сооружений на стадиях их строительства и эксплуатации.

Содержание проекта - проектирование, разработка концепции и введение в действие системы СМИК объекта «Большая спортивная арена (БСА) «Лужники», с помощью которой осуществляется контроль показателей надежности и устойчивости инженерных (несущих) конструкций объекта с точной диагностикой напряжений, уязвимостей и критических изменений любого вида.

Предпосылки для создания системы мониторинга

«Большая спортивная арена (БСА) «Лужники» (Москва) относится к числу уникальных и потенциально опасных сооружений класса КС-3 – спортивных стадионов с большепролетными и пространственными покрытиями. После реконструкции Большая спортивная арена «Лужников» будет представлять собой многофункциональный футбольный стадион высшей категории (по международной классификации «Элит») круглогодичного использования.

Несущий каркас здания - колонны, диафрагмы жесткости, лестничные клетки, лифтовые шахты и перекрытия - выполняется из монолитного железобетона.  Перекрытия - плоские. Пространственная жесткость сооружения обеспечивается совместной работой монолитных железобетонных конструкций перекрытий, колонн и вертикальных ядер жесткости, имеющих жесткую заделку в фундаментную плиту.

Особенностями объекта БСА «Лужники» является конструктивное решение монолитных вновь возводимых трибун, накрываемых стационарной оболочкой в виде стальной стержневой системы овальной формы, объединенных с существующими конструкциями исторической стены и металлического покрытия на внешних колоннах.

Высокая степень риска эксплуатации сложного архитектурного объекта «Большая спортивная арена Олимпийского комплекса «Лужники» технически связана:  

• с массовым пребыванием в нем людей;
• с непрерывными изменениями характеристик несущих конструкций объекта;
• с осадками фундаментов, опорных основ и стен, кренами, прогибами, деформациями, вибрациями, образованием трещин;
• с изменениями в массиве грунта под объектом и вокруг него (горизонтальными и вертикальными перемещениями).

К особо ответственным узлам и конструкциям сооружения «Большая спортивная арена (БСА) «Лужники», относятся:

• конструкции, обеспечивающие пространственную жесткость, неизменяемость и устойчивость сооружения;
• несущие конструкции, перекрывающие главные пролеты и опорные конструкции большепролетного спортивного сооружения.
• конструкции и их элементы, разрушение или недопустимые деформации которых могут привести к снижению безопасности сооружения и находящихся в нем людей;
• узлы и конструкции, разрушение или недопустимые деформации которых могут привести к прогрессирующему разрушению конструкций или объекта в целом.

В связи с этим безопасность уникального сооружения «Большая спортивная арена (БСА) «Лужники» требует точных методов прогнозирования и предотвращения аварийных ситуаций. С целью обеспечения безопасности сооружений в соответствии с ГОСТ Р 22.1.12-2005 объект был оснащен структурированной системой мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений (СМИС), сопряженными с единой городской дежурно-диспетчерской службой (ЕДДС) МЧС и ДДС объекта с целью предупреждения возникновения и ликвидации чрезвычайных ситуаций.

Для решения задачи контроля изменения состояния несущих конструкций уникального и потенциально опасного сооружения в состав СМИС «Большая спортивная арена (БСА) Олимпийского комплекса «Лужники» должна быть включена подсистема мониторинга состояния инженерных (несущих) конструкций сооружений (СМИК), которая гарантированно позволит предотвратить и избежать человеческих и материальных потерь, выявляя в автоматизированном режиме изменения напряженно-деформированного состояния конструкций объекта с локализацией их опасных участков.

Задачи системы мониторинга

СМИК уникального сооружения «Большая спортивная арена (БСА) Олимпийского комплекса «Лужники» создается для решения нижеследующих задач:

• автоматического мониторинга и регистрации изменений состояния инженерных (несущих) конструкций в течение всего срока эксплуатации объекта;
• своевременного оповещения дежурного персонала о критическом изменении состояния инженерных (несущих) конструкций объекта;
• обеспечение принятия обоснованных решений по обеспечению безопасности персонала и посетителей, безопасной эксплуатации, прекращению эксплуатации объекта;
• информирования в режиме реального времени персонала ДДС объекта, ЕДДС о предаварийном, аварийном состоянии инженерных (несущих) конструкций объекта;
• снижения людских и материальных потерь в случае развития предаварийной ситуации, ЧС;
• обеспечения через ДДС, ЕДДС соответствующих служб и подразделений (аварийно-спасательных, дежурно-диспетчерских, оперативно-дежурных, экстренного вызова) информацией, необходимой для проведения аварийно-спасательных работ и ликвидации последствий аварий, чрезвычайных ситуаций.

Важнейшей задачей, решаемой в ходе научно-технического сопровождения строительства и эксплуатации объекта, является прогноз состояния объекта строительства (или отдельных его конструкций), с учетом всех возможных видов воздействий, а также создание базы (в том числе информационной и приборной) для проведения мониторинга объекта строительства в ходе эксплуатации со следующими задачами:

• контроль состояния несущих конструкций объекта;
• обработка и хранение полученной информации;
• отображение в режиме реального времени полученных данных на автоматизированные рабочие места оператора (АРМ) СМИК в удобной для восприятия человека форме.

Автоматизированная система мониторинга технического состояния оснований и несущих конструкций должна:

- проводить комплексную обработку результатов проводимых измерений;

- проводить анализ различных измеренных параметров строительных конструкций (динамических, деформационных, геодезических и др.) и сравнение с их предельными допустимыми значениями;

- предоставлять достаточную информацию для выявления на ранней стадии тенденции негативного изменения напряженно-деформированного состояния конструкций, которое может привести к переходу объекта в ограниченно работоспособное или аварийное состояние.

Описание решения

Компания «СМИС Эксперт» разработала концепцию автоматизированной системы мониторинга инженерных (несущих) конструкций (СМИК), при помощи специальных методов и средств системы осуществляется контроль показателей надежности и устойчивости уникального сооружения БСА Олимпийского комплекса «Лужники». 

Решение «СМИС Эксперт» позволяет осуществлять непрерывный дистанционный контроль интегральным методом, который заключается в сопоставительном анализе параметров состояния несущих конструкций и их отклонений от предельно допустимых расчетных значений, которые определены в проекте и нормативных документах:

• давление в частях конструкций;
• прогибы несущих оснований;
• уклоны и изгибы отдельных элементов;
• углы крена;
• динамические смещения грунта;
• линейные перемещения;
• вибрации;
• собственная частота колебаний конструкций с учетом климатических воздействий.

Критерии оценки напряженно-деформированного состояния несущих конструкций объекта и контролируемые в процессе мониторинга параметры (показатели) используются для принятия решений:

- по обеспечению безопасности людей (эвакуация);

- по переводу сооружения в режим аварийной эксплуатации (противоаварийные мероприятия по минимизации возможных последствий);

- по усилению несущих конструкций здания, сооружения.

Обеспечение решений вопросов построения и технического обеспечения мониторинга конструкций включает (в составе решения) следующие основные работы:

• обоснование структуры системы мониторинга;
• обоснование требований к характеристикам датчиков и регистрирующих устройств, мест, технологий и конструкторских решений по их установке.

Обеспечение решений вопросов математического обеспечения мониторинга включает (в составе решения) следующие основные работы по разработке математических моделей, алгоритмов:

• обработки данных датчиков и регистрирующих устройств и получения интегральных характеристик состояния несущих конструкций:
• получения спектров реакции (передаточных функций);
• собственных частот и форм колебаний;
• коэффициентов демпфирования и др..

- В процессе внедрения решения (СМР и ПНР) смонтировано 18,5 км кабеля. 

- Установлены по установленной методикой схеме датчики:

• Инклиномеры в количестве 43 шт.
• Тензометры в количестве 80 шт.
• Акселерометры в количестве 16 шт

Основные функции системы

В штатном режиме СМИК объекта функционирует автоматически без вмешательства оператора. Дежурный персонал контролирует состояние показаний датчиков СМИК на мониторе АРМ СМИК и действует в соответствии с регламентом действий дежурного персонала объекта.

В аварийном режиме работы осуществляется поиск и устранение отказов и неисправностей, проведение технического обслуживания и обновление отказавших компонентов программного обеспечения. Отказы и неисправности подсистемы могут произойти:

• при первичном включении подсистемы в составе объекта эксплуатации;
• в ходе эксплуатации СМИК объекта.

Нарушения функционирования СМИК на уровне подсистемы выявляются программными средствами без использования дополнительной контрольно-измерительной аппаратуры. 

Настройку автоматизированной стационарной системы мониторинга объекта проводят, с использованием заранее разработанной математической модели для проведения комплексных инженерных расчетов по оценке возникновения и развития дефектов в строительных конструкциях, в том числе и в кризисных ситуациях.

Нормативные документы, регламентирующие внедрение системы

Межгосударственный стандарт ГОСТ 31937-2011 «Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния».

Входит в обязательный перечень сводов правил и стандартов (постановление Правительства РФ № 1521 от 29.12.2014.), в результате применения которых на обязательной основе обеспечивается соблюдение требований Федерального закона № 384 от 30.12.2009. «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений», мониторинг технического состояния оснований и строительных конструкций уникальных зданий (сооружений) проводят в целях обеспечения их безопасного функционирования.

ГОСТ 27751-2014

В связи с массовым пребыванием на объекте людей заказчиком установлен повышенный уровень ответственности в соответствии с (входит в обязательный перечень сводов правил и стандартов по постановлению Правительства РФ № 1521 от 29.12.2014.) - КС-3. В этом случае устанавливается мониторинг в процессе эксплуатации.

ГОСТ 31937-2011

При выявлении мест изменения напряженно-деформированного состояния конструкций проводят обследование этих частей с помощью общих методов по их результатам делают выводы о техническом состоянии конструкций, причинах изменения их напряженно-деформированного состояния и необходимости принятия мер по восстановлению или усилению конструкций.

ГОСТ 27751-2014

Общие условия обеспечения надежности сооружений заключаются в том, чтобы показатели напряженно-деформированного состояния конструкций (деформации, перемещения, в том числе динамические, раскрытие трещин и т. п.) не превышали соответствующих им предельных значений, устанавливаемых нормами проектирования конструкций

ГОСТ Р 53964-2010

Методические рекомендации для оценки воздействия вибрации должно применяться измерительное оборудование, которое обеспечивает измерение пикового значения скорости вибрации – при оценке воздействия вибрации на конструкцию сооружения.

Состав решения

Дистрибутивными носителями данных являются программные комплексы:

- сервера СМИК;

- АРМ СМИК;

- Общесистемное ПО

Ядром СМИК является специализированное программное обеспечение - программный комплекс сервера СМИК, АРМ СМИК объекта.

Функционирование СМИК осуществляется при наличии лицензионного ключа идентификатора и постоянного IP-адреса. Информационное взаимодействие осуществляется при использовании стандартизованного стека протоколов TCP/IP.

Источниками информации СМИК являются измерительные пункты (датчики), фиксирующие изменение состояния инженерных (несущих) конструкций объекта. Информация от датчиков поступает в сервер СМИК. Далее эта информация передаётся в сервер ССП СМИС. Сообщения от СМИК сервер ССП СМИС передаёт в ЕДДС (в виде XML-сообщений)

Дежурный персонал контролирует состояние показаний датчиков СМИК на мониторе АРМ СМИК и действует в соответствии с регламентом действий дежурного персонала объекта;

База данных СМИК обеспечивает хранение информации о нарушении условий нормальной эксплуатации конструкций объекта, показаний датчиков, а также системную информацию (настройки, учетные данные и пр.).

Результаты внедрения

• Внедрение интегральной системы СМИК обеспечила требования ГрК РФ и 384-ФЗ по предупреждению аварийных и чрезвычайных ситуаций на технически сложном, уникальном и потенциально опасном объекте с массовым пребыванием людей «Большая спортивная арена (БСА) Олимпийского комплекса «Лужники» (Москва). 
• На 12,3% среднегодовое снижение затрат на техническую эксплуатацию конструкций БСА «Лужники»