3.000 Augen für künstliche Intelligenz. Was ist das Strukturüberwachungssystem des Lakhta Centers?

Sie bekommen den stärksten Eindruck vom Wolkenkratzer des Lakhta Centers, wenn Sie ihn von unten betrachten, von oben nach oben, und es scheint, als würde er irgendwo in die himmlische Unendlichkeit gehen. Und genau in diesem Moment und nicht aus der Perspektive einer fernen Stadt ist es atemberaubend aus Höhe und Kraft. Und irgendwann in der zehnten Runde kommt der Gedanke - es ist gut, genau zu wissen, was sie vernünftig und ehrlich gebaut haben. Und zweimal ist es gut, dass wir es haben, zu überwachen. Entwicklung inländischer Programmierer, insbesondere für den Komplex. Die magische Sache ist es, die geringste Möglichkeit von schlechten zukünftigen Entwicklungsoptionen zu verhindern. Unter Katze - alles darüber, wie es funktioniert.




Jedes Gebäude ist vielen äußeren Kräften ausgesetzt. Unterschiede in Temperatur und Luftfeuchtigkeit, Winddruck, Schneemassendruck, Bodenheterogenität und deren zeitliche Veränderung. Bei Wolkenkratzern mit ihrer Größe, ihrem Gewicht und ihrer Designkomplexität nimmt dieser Effekt um ein Vielfaches zu.
Das Auftreten von Verformungen, Zonen mit erhöhter Beanspruchung der Struktur ist selbst für kleine Hütten gefährlich, ganz zu schweigen von Wolkenkratzern, bei denen die Folgen unbemerkter Änderungen im Design unvergleichlich kritischer sind.



Daher werden in allen modernen Hochhäusern Verformungsüberwachungssysteme verwendet, bei denen eine ganze Reihe von Steuerungswerkzeugen verwendet werden.



Die Lupe in diesem Toolkit ist natürlich nicht enthalten, aber viele Sensoren sind enthalten. Es gibt ungefähr 3.000 von ihnen im Lakhta Center, und sie befinden sich in allen wichtigen Strukturelementen aller Einrichtungen des Komplexes.

Die größte Gruppe sind Dehnungsmessstreifen, die sich an der Vorderkante der Verformungsabwehr befinden. Dies ist einer der zuverlässigsten und langlebigsten und daher gebräuchlichsten Sensoren, mit denen Dehnungen und Spannungen gemessen werden. Die Sache ist die Einfachheit des Designs.

Tatsächlich ist ein Dehnungsmessstreifen nur ein Stück hochfester Stahldraht - eine Schnur, die in einem hohlen Metallrohr zwischen zwei Endblöcken gespannt ist. Wenn die Struktur verformt wird, ändert sich der Abstand zwischen den Endblöcken zusammen mit der Spannungskraft der Saite und dementsprechend der Schwingungsfrequenz. Die Zustandsänderung wird in digitale Signale umgewandelt, die über Multiplexer und Datenlogger (Datenlogger) an das Überwachungssystem übertragen werden.



Dehnungsmessstreifen werden an Metallträger geschweißt, in Beton gegossen, und das Fehlen der Möglichkeit ihrer Wartung wird durch eine mehrfache Mengenreserve ausgeglichen. Es wird sogar in Minen unterhalb des Pfahlfeldes bis zu geodätischen Markierungen minus 100 m installiert.


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Das Signal von jedem der Lakhta Center in der Größenordnung von 2.500 Dehnungsmessstreifen wird an das Überwachungssystem übertragen, und selbst der Ausfall einzelner Dehnungsmessstreifen - obwohl dort nichts Besonderes zu brechen ist - hat keinen besonderen Einfluss auf die Genauigkeit des Gesamtbildes des Zustands der Struktur.


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Informationen von Dehnungsmessstreifen werden einmal pro Stunde gesammelt und alle sechs Stunden an den Server übertragen. Dies ist mehr als genug für einen so schleppenden Prozess wie die Verformung. Eine völlig andere Sache beim Aufbau von Schwingungen ist der schnelle, kontinuierliche Prozess, und Änderungen in den Strukturen können auch durch Ändern der Eigenschaften der Schwingungen erfasst werden. Zu diesem Zweck werden alle paar Stockwerke des Lakhta Center-Turms Kontrollpunkte eingerichtet, die mit Beschleunigungsmessern und Vibrationsmessern ausgestattet sind.



Das Gerät ist ein einfacher Beschleunigungsmesser. Die Last ist an einer Feder befestigt. Dämpfer unterdrückt Lastvibrationen. Je größer die scheinbare Beschleunigung ist, desto stärker verformt sich die Feder und das Instrument wird gewechselt

Basierend auf den Messungen wird die Amplituden-Frequenz-Charakteristik der Strukturelemente des Gebäudes erstellt, und eine Abweichung von der Frequenz- oder Amplitudennorm ist ein Signal dafür, dass ein Fehler aufgetreten ist.



Eine andere Art von Sensoren - Neigungsmesser - messen den Neigungswinkel des Strukturelements, auf dem sie installiert sind.



Im Turm des Lakhta Center Tower ist ein moderner Messkomplex installiert. Mit der GNSS-Station wird die Position des Turmes in einem zweidimensionalen Koordinatensystem verfolgt: Der Satellit macht grob gesagt ein Bild, das der Turm je nach Stärke und Windrichtung mit einem Turm zeichnet.


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Die Wetterstation bewertet wiederum die Abhängigkeit des Zustands der Struktur von den Messwerten für Luftfeuchtigkeit, Temperatur, Geschwindigkeit und Windrichtung.


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Eine auf einem Bogen montierte Totalstation misst den Neigungswinkel und die Entfernung mit einem Laser an einem Referenzpunkt, dessen Verschiebung in eine beliebige Richtung eine Änderung des Ortes der Struktur anzeigen kann, beispielsweise aufgrund von Niederschlag.



Das Hauptmerkmal des automatisierten Systems des Lakhta Center zur Überwachung technischer Strukturen liegt jedoch nicht in der Vielfalt und Anzahl der Sensoren. Jedes moderne Hochhaus ist mit Sensoren vollgestopft, und im Burj Khalifa sind sie nicht weniger. Das Analysesystem der Informationen, die von den Zählern im Supertoll von St. Petersburg stammen, ist jedoch wirklich einzigartig. Es basiert auf einem ständigen Vergleich des tatsächlichen Zustands der Gebäude des Lakhta-Zentrums auf der Grundlage von Sensorwerten mit vorhergesagten Verformungswerten.



Die Berechnung des Spannungs-Dehnungs-Zustands von Strukturen erfolgt auf Basis eines zertifizierten Softwarepakets zur Modellierung von Strukturen nach der Finite-Elemente-Methode FEM- Modelle von PI Georekonstruktsiya LLC.

Das Berechnungsmodell der Gebäude wird zusammen mit dem Fundament und dem Fundament (Bodenmasse) erstellt, da die unterirdischen und oberirdischen Teile des Gebäudes zusammenarbeiten und sich gegenseitig beeinflussen. Um ein Berechnungsmodell des Gebäudes zu erstellen, werden die finiten Elemente des Systems mit den Eigenschaften realer Materialien mit genau festgelegten aktuellen mechanischen Parametern ausgestattet.



Das FEM-Modell wird unter Verwendung des 3D-Entwurfsmodells (BIM) erstellt, wobei die tatsächliche Geometrie des Gebäudes berücksichtigt wird, die während des Aufbaus und des Betriebs angepasst werden kann. Das heißt, das ursprüngliche BIM-Modell wird im interaktiven Modell verfeinert und die Eigenschaften der realen Materialien, aus denen jedes Element hergestellt wird, werden hergestellt - Betonklasse, Bodendicke, Balkenquerschnitt usw.

Vladimir Lukin, Leiter der Abteilung für Stahlbetonkonstruktionen im Lakhta Center, überwacht die Erstellung eines Projekts für das Überwachungssystem des Lakhta Center-Komplexes :
- Der Vergleich von Überwachungsdaten mit einem interaktiven Finite-Elemente-Modell ermöglicht die Steuerung der Parameter des Modells, nämlich: Änderung des Strukturschemas entsprechend dem Bauverlauf, Änderung der Parameter von Materialien und Strukturen gemäß der ausführenden Dokumentation, Änderung der Größe der Lasten gemäß dem tatsächlichen Bild der Belastung von Strukturen . Das Finite-Elemente-Modell von Gebäuden passt sich daher an sich ändernde äußere Bedingungen an und liefert Prognosen, die den von Überwachungssensoren aufgezeichneten realen Werten immer näher kommen.

Basierend auf der durchgeführten Strukturanalyse in der Softwareumgebung werden alle möglichen Versionen der Verformungsentwicklung überprüft. So werden Notfallgrenzen von Sensorablesungen, Szenarien und Verformungsentwicklungsalgorithmen gefunden und Kriterien zur Bewertung des tatsächlichen technischen Zustands entwickelt - Stabilität, Restlebensdauer und Haltbarkeit gemäß den Messwerten von Strukturüberwachungssensoren. Bewertungskriterien sind absolute und relative Abweichungen von Bauwerken, die das Verhalten des gesamten Gebäudes berücksichtigen.

Dmitry Babichev, Projektmanager, Telros Company :
- Die Materialien, aus denen das Gebäude gebaut wird, unterscheiden sich immer von denen, die im Entwurfsmodell festgelegt sind. Dies wirkt sich wiederum auf die Abweichungen der realen Lasten von den berechneten aus. Das mathematische Modell, das im automatisierten System zur Überwachung des Zustands der technischen Strukturen des Lakhta-Zentrums verwendet wird, ist ein Modell eines realen Objekts. Und basierend auf der Analyse der Sensorwerte kann bereits festgestellt werden, dass dieses reale Objekt noch viel steifer als das Entwurfsmodell war und daher mit mehr als einem ernsthaften Sicherheitsspielraum gebaut wurde.

Anordnung der Messgeräte nach einem dreidimensionalen Berechnungsschema

Das FEM-Modell ist ein echter digitaler Zwilling. Genauso wie zum Beispiel die digitalen Zwillinge von Raumfahrzeugen, mit denen die NASA Situationen im Weltraum simuliert. In der Tat ist das Sammeln von Informationen von Sensoren mithilfe von Telemetrie auch die einzige Möglichkeit, die Situation zu überwachen, Probleme zu identifizieren und nach Möglichkeiten zur Lösung von Problemen zu suchen, nachdem sie analysiert und modelliert haben, was vor Ort im Orbit geschieht.



Das Verformungsüberwachungssystem des Lakhta Centers überwacht den Zustand tragender Strukturen in Echtzeit mit einer Abfragefrequenz von bis zu tausend Messwerten pro Sekunde, sammelt Statistiken fast vom Beginn des Baus des Gebäudes an, überwacht Änderungen mit zunehmender Last und setzt dies während des Betriebs fort. Darüber hinaus kann das System trainiert werden und aufgrund dessen automatisch das Modell des Gebäudes unter Berücksichtigung der tatsächlichen Messwerte der Sensoren ändern.


Drähte von den ersten Sensoren in Pfählen - sie wurden zu Beginn des Baus installiert

Ein weiterer Unterschied zwischen dem im Lakhta Center verwendeten Überwachungssystem und Analoga in anderen Wolkenkratzern besteht darin, dass nicht nur eine Notfallgrenze für die Verformung der Bauelemente vorhanden ist, sondern auch eine Warngrenze. Basierend auf demselben mathematischen Modell wird unter Berücksichtigung des tatsächlichen Zustands des Gebäudes eine Reihe akzeptabler Werte erstellt, in denen keine Abweichungen von den Prognoseindikatoren auftreten, und ein Warnbereich, der aus Sicht von SNiP noch weit von einem Notfallzustand entfernt ist, dessen Eintritt jedoch bereits ein Grund für die Übernahme des Managements ist Entscheidungen.


Gelbe Zone - Warnabweichung von den Prognosewerten, rote - Notfall

Trotz der Tatsache, dass alle von den Sensoren kommenden Daten automatisch analysiert werden, treffen die Menschen Entscheidungen. Der Disponent informiert nach Erhalt eines Alarmsignals den diensthabenden Beamten darüber, der eine Sichtprüfung durchführt, ein an der gewünschten Stelle im System angebrachtes Foto macht und einen Bericht erstellt. Dieser Bericht wird vom Konstrukteur analysiert und beschließt, das FEM-Modell neu zu berechnen, wenn die Gründe für die Änderung der Parameter unkritisch sind und beispielsweise mit der natürlichen und vorhergesagten Besiedlung des Gebäudes zusammenhängen. Andernfalls erhält der Chefingenieur die Benachrichtigung, der sogar über die Evakuierung entscheiden kann. Unter Berücksichtigung der Sicherheitsmarge des Lakhta-Zentrums erfordert die Entwicklung eines solchen Szenarios jedoch externe Maßnahmen auf der Ebene eines Erdbebens der Stärke sechs. Ein Signal zur Annäherung an die Notgrenze der Verformungsentwicklung wird automatisch an das Notfallministerium übermittelt.