Сейсмологи Академгородка научились предугадывать появление трещин в зданиях и фундаментах
Как работает метод, разработанный сейсмологами Академгородка, и каковы перспективы его применения на российском рынке – в материале «Континента Сибирь».
В 2024 году «Континент Сибирь» рассказывал о проблеме разрушений фундаментов зданий в северных регионах из-за потепления, которое вызывает таяние вечной мерзлоты и изменения грунтов. В прошлом году заместитель губернатора Ямало-Ненецкого автономного округа Александр Подорога прогнозировал, что более 50% зданий региона может быть повреждено к 2050 году по этой причине.
Вместе с тем, проблема стоит еще шире, ведь трещины в фундаментах и конструкциях сооружений могут возникать не только из-за изменений в грунте. А они, в свою очередь, стали причиной многих крупных техногенных катастроф последних десятилетий.
Закономерное решение этой проблемы лежит в области создания надежных средств мониторинга и прогнозирования возникновения подобных дефектов. Сегодня в подавляющем большинстве случаев эту задачу решают с помощью визуального осмотра состояния зданий и сооружений специалистами. В результате, о проблеме зачастую узнают, когда она уже приобрела угрожающие масштабы. Между тем, могут быть взяты на вооружение и более надежные способы, один из которых был разработан учеными Института нефтегазовой геологии и геофизики (ИНГГ) СО РАН.
Этот метод основан на данных микросейсмики – относительно нового научного направления, которое занимается анализом микроколебаний без определенного источника шума. «Такие колебания присутствуют в земле и разных объектах постоянно, их нет разве что в космосе. Для их обработки требуется специальная аппаратура, которая сама не производит никаких шумов, найти такие приборы очень сложно. Но именно такое оборудование было разработано моим коллегой по институту, что стало важной составляющей для дальнейших исследований. Сейчас наши датчики улавливают колебания в диапазоне от трех сантиметров до нанометров, что является очень высоким показателем», ─ рассказал «Континенту Сибирь» руководитель лаборатории динамических проблем сейсмики ИНГГ СО РАН, кандидат технических наук Константин Федин.
Спектр исследовательских задач, которые можно решать с помощью этого метода, достаточно широк, но разработчики решили, в первую очередь, сосредоточится на поиске дефектов в зданиях и сооружениях.
«У каждого объекта есть свой внутренний резонанс. Допустим, его частота у некой бетонной плиты составляет 2 Гц, и в любой точке плиты датчик должен улавливать колебания именно этой частоты. Но если в плите присутствует трещинка, даже невидимая на ее поверхности, на этом участке частота колебаний изменится. Благодаря нашим датчикам есть возможность не только обнаружить факт ее существования, но и достаточно точно локализовать местонахождение дефекта», ─ объяснил принцип работы метода Константин Федин.
Что немаловажно, обследование здания не требует много оборудования или времени: с помощью нескольких датчиков современный торговый центр или офисное здание можно обследовать за полдня. На крупный промышленный объект, например, гидроэлектростанцию – уйдет несколько больше времени. Но и там речь идет о нескольких днях. Комплекс оборудования для поиска внутренних дефектов в сооружениях, созданный сотрудниками ИНГГ СО РАН. Фото предоставлено Константином Фединым
При этом точность обследования намного превышает возможности визуального осмотра человеком, позволяя выявить невидимые глазу внутренние дефекты и спрогнозировать время возникновения трещин с высокой точностью даже на, казалось бы, целой поверхности.
«Собственно, так и произошло на одном из объектов в Норильске, где мы демонстрировали эту технологию. После анализа поступившей с датчиков информации, мы сказали, что на определенном участке стены через несколько дней появится трещина. Так и произошло, что, конечно, намного повысило доверие к технологии. И сейчас мы осуществляем в том же Норильске постоянный мониторинг состояния многих объектов»,─ сказал Константин Федин. Ученые новосибирского Академгородка разработали новый метод обследования грунтов Всего, в настоящее время командой обследовано (или находится в режиме постоянного мониторинга) свыше сотни различных зданий и сооружений по всей стране. И как признают разработчики, если поначалу им приходилось делать работу чуть ли не по себестоимости, чтобы доказать эффективность метода, то теперь они уже могут опираться на определенный репутационный ресурс.
Задачи бывают самые разные. С помощью своего оборудования, к примеру, сотрудники ИНГГ обследовали несколько гидроэлектростанций и сформировали набор рекомендаций по их эксплуатации, с целью избежать возможного разрушения отдельных элементов конструкции. А в Московской области стояла задача организовать мониторинг жилых домов, расположенных рядом с большим строительным объектом, с целью предупредить риск повреждения их фундаментов в результате проводимых на объекте работ. Что интересно, сама стройка проблем домам не доставила, но нестандартные колебания в отдельных квартирах позволили обнаружить несанкционированную перепланировку помещений, нарушившую целостность несущих конструкций. И тем самым, выявить другой источник потенциальных неприятностей (трещин и т.д.) для их владельцев.
И тут возникает еще одна проблема. Рынок для подобного рода услуг в стране огромен, но вот работать на нем практически некому. Многие годы подавляющее большинство специалистов этого профиля сосредотачивали свое внимание на «большой сейсмологии», теме прогноза землетрясений и т.п. Исследованиями в области микросейсмики занимаются единицы.
Причем, эта ситуация характерна не только для России. Поэтому на то, чтобы решить проблему, используя импортное оборудование или сервисы, тоже надежды мало – проверенных на практике аналогов у разработки новосибирских геофизиков просто нет. По крайней мере, судя по публикациям в мировых научных журналах. «Простоит еще 100 лет?»: в новосибирской школе 1937 года постройки после капремонта снова начнут учить детей Но и обеспечить своими силами обследование всех объектов на территории страны силами сотрудников одной лаборатории научного института – не реально. Впрочем, сами ученые предлагают иное решение проблемы.
«Сейчас мы хотим доработать набор датчиков, чтобы пользователь мог сам устанавливать их на своем объекте, проводить его обследование по достаточно простому протоколу. А результаты поступали бы на наши компьютеры, где и происходила бы их обработка. Результаты анализа колебаний потом будут передаваться заказчику. То есть получится такой аппаратно-программный комплекс, где «железо» находится у заказчика, а «софт» у нас», — объяснил «Континенту Сибирь» Константин Федин.
Программное обеспечение разработчики в открытый доступ выкладывать не предполагают. И дело не только в интеллектуальной собственности, появление такого программного продукта на рынке неизбежно вызовет риск создания упрощенных «пиратских версий», где обработка результатов будет проходить с неизвестным качеством. А это вызовет риски ложных заключений, незамеченных дефектов и, как следствие, способно подорвать доверие к самому методу. Пример результатов обследования — красные точки показывают сваи фундамента с признаками потери устойчивости. Фото предоставлено Константином Фединым
Очевидно, что потенциальный спрос на такого рода оборудование заметно превышает производственные возможности научного института. В настоящее время сотрудники ИНГГ СО РАН ведут работу над прототипом такого комплекса, чтобы можно было предлагать его в качестве совместного проекта потенциальным промышленным партнерам. По их расчетам, они могут выйти с подобными предложениями уже к концу этого года.
