Оценка напряженно-деформированного состояния несущих конструкций зданий и сооружений в ходе мониторинга их технического состояния

15

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ В ХОДЕ МОНИТОРИНГА ИХ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

Коргина Мария Андреевна

Специальность:

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Москва - 2008

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном строительном университете.

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Кунин Юрий Саулович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Алмазов Владлен Ованесович

кандидат технических наук, с.н.с. Бандин Олег Леонидович

Ведущая организация:

Центральный научно-исследовательский институт строительных конструкций (ЦНИИСК) г. Москва.

Защита диссертации состоится « » 2008 г. в час. мин. на заседании диссертационного совета Д.212.138.04 при ГОУВПО Московском государственном строительном университете по адресу: г. Москва, Ярославское шоссе, д.26, зал заседаний Ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО Московского государственного строительного университета.

Автореферат разослан « » 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Каган П.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Для современного этапа экономического и общественного развития в России характерно расширение строительного производства и проведение масштабного строительства в крупных городах - мегаполисах, в первую очередь, в Москве и Санкт-Петербурге, сопровождающееся постоянным ростом сложности возводимых объектов и условий, в которых осуществляется их строительство. Это неизбежно порождает новые задачи, связанные с обеспечением безопасной жизнедеятельности в условиях мегаполиса, определяющейся, во-первых, надежностью самих строящихся сооружений, и, во-вторых, влиянием проводимого строительства на уже существующую инфраструктуру.

Современные тенденции в строительстве, а именно - увеличение этажности зданий, уплотнение городской застройки, стесненность строительных площадок, освоение подземного пространства, насыщение инженерными коммуникациями, неизменно приводят к возникновению и последующему увеличению негативного техногенного воздействия проводимого строительства на уже построенные объекты, расположенные в прилегающих зонах. Как показывает опыт, одной из основных проблем эксплуатации зданий и сооружений в крупных городах является возможность их повреждения в результате неравномерных деформаций грунтового основания, спровоцированных различными природно-техногенными причинами. В связи с этим особое значение приобретает проблема контроля технического состояния несущих конструкций с целью предупреждения возникновения аварийных ситуаций и обоснованность выбора комплекса инженерных мероприятий по их недопущению. При этом очевидно, что контроль технического состояния несущих конструкций зданий и сооружений должен носить систематический характер и позволять осуществлять оценку происходящих изменений на основе количественных критериев, т.е. базироваться на процедурах выявления соответствия фактической прочности, жесткости и устойчивости конструктивных элементов нормативным требованиям.

Для зданий и сооружений, подверженных риску повреждений от внешних воздействий, контроль технического состояния несущих конструкций необходим в течение всего периода возможного проявления деформационного воздействия, что нашло отражение в ряде документов, нормирующих проведение строительства в крупных городах. Тем не менее, на сегодняшний день единой рекомендованной нормами методики, позволяющей эффективно предотвращать возникновение аварийных ситуаций, не существует.

В целом актуальность темы диссертации определяется практической необходимостью создания обоснованной методики объективной оценки технического состояния несущих конструкций строительных объектов, испытывающих внешние деформационные воздействия, которая позволила бы с высокой достоверностью прогнозировать и предупреждать появление и развитие аварийных ситуаций.

Целью диссертации является разработка эффективной методики оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) несущих конструкций зданий и сооружений, подверженных влиянию неравномерных деформаций основания, в ходе мониторинга их технического состояния с использованием современных информационных технологий получения и обработки данных.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Разработана методика оценки технического состояния несущих конструкций сооружений по результатам периодического мониторинга, в состав которого входят выборочное обследование технического состояния конструкций, геодезические измерения пространственных деформаций сооружения, численный анализ методом конечных элементов (МКЭ) изменения НДС несущих конструкций.

2. Разработана методика построения пространственно-координатных (ПК) моделей контроля деформаций сооружений по результатам геодезической съемки в условиях стесненного доступа к объекту мониторинга.

3. Разработана методика использования МКЭ-моделей сооружений, актуализируемых данными выборочного обследования и геодезических измерений для оценки изменения НДС несущих конструкций в ходе мониторинга.

4. Проведена экспериментальная апробация результатов исследования в научно-практической деятельности.

Объектом исследования является процесс влияния неравномерных деформаций оснований зданий и сооружений, расположенных в зоне со сложными инженерно-геологическими условиями, на техническое состояние их несущих конструкций.

Предметом исследования являются методы и средства периодического мониторинга технического состояния несущих конструкций зданий и сооружений, испытывающих деформационные воздействия, на основе автоматизированного МКЭ-анализа изменения НДС конструктивных элементов.

Научная новизна диссертационной работы:

· разработана эффективная методика оценки влияния неравномерных деформаций оснований на техническое состояние несущих конструкций сооружений по результатам периодического мониторинга, в состав которого входят выборочное обследование технического состояния конструкций сооружения, дистанционные пространственно-координатные (ПК) измерения перемещений массива характерных точек сооружения, МКЭ-анализ изменения НДС несущих конструкций по данным выборочного обследования и геодезических измерений на этапах мониторинга;

· введено понятие и разработана методика создания ПК-модели контроля деформаций сооружения, определены основные требования к ее построению;

· впервые создана специализированная технология ПК-съемки в условиях стесненного доступа к объекту мониторинга;

· введено понятие и разработана методика построения текущей МКЭ-модели сооружения, актуализируемой в ходе мониторинга с помощью ПК-модели контроля деформаций для оценки изменения НДС несущих конструкций.

Практическая значимость результатов исследования. Разработанная методика оценки НДС несущих конструкций зданий и сооружений в ходе периодического мониторинга их технического состояния предлагается для практической деятельности специализированных организаций, занятых мониторингом строительных объектов, расположенных в крупных городах. Разработанная методика может эффективно использоваться для зданий и сооружений различного назначения и различных конструктивных схем. Применение данной методики позволяет повысить уровень эксплуатационной безопасности строительных объектов, испытывающих неравномерные деформации основания.

Внедрение результатов работы. Положения и результаты настоящей работы использовались в 2005-2008г.г. при мониторинге объектов г. Москвы и Московской области, среди которых здание многофункционального административного комплекса «Альфа Арбат Центр», г. Москва, ул. Арбат, д.1; спортивно-оздоровительный комплекс «Сорочаны», МО, Дмитровский р-н. деформация сооружение мониторинг геодезический

Апробация работы. Основные положения проведенных исследований по теме диссертации докладывались автором на международной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности», г. Москва, 2005-2008г.г.; на всероссийской научно-практической конференции «Научное творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях», г. Москва, 2008г.; на заседаниях кафедр испытания сооружений, инженерной геологии и геоэкологии МГСУ в 2005-2008г.г.

Практические результаты работы были представлены на выставке «НТТМ-2008». По итогам выставки работа награждена Грантом Президента РФ II степени.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, из них 3 статьи опубликованы в издании, рекомендованном ВАК, 9 статей в сборниках трудов международных и всероссийских научно-практических и научно-технических конференций, 3 статьи в сборниках трудов кафедр МГСУ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка из 168 наименований, приложений и содержит 225 страниц, в том числе 145 страниц машинописного текста, 74 рисунка, 18 таблиц.

На защиту выносятся наиболее существенные результаты исследований, имеющие научную и практическую значимость:

· общая постановка проблемы, основные цели и положения разработанной методики, схема организации процесса периодического мониторинга;

· методика построения взаимодействующих ПК и МКЭ-моделей сооружения, технология ПК-съемки в условиях стесненного доступа;

· практические основы организации процесса сбора, обработки и анализа данных мониторинга с целью последующего МКЭ-моделирования, теоретические основы поставленной расчетной задачи.

· экспериментальная апробация результатов теоретических положений диссертационной работы в практической инженерной деятельности при мониторинге строительных объектов в г. Москве.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение диссертации раскрывает актуальность темы работы, определяет объект, предмет, научную новизну и практическую значимость работы.

В первой главе диссертации произведены классификация и анализ причин возникновения и развития повреждений строительных объектов, проведен обзор существующих методов мониторинга технического состояния конструкций с использованием современной аппаратуры, динамических и геодезических методов.

Строительный объект представляет собой многокомпонентную систему взаимодействующих конструктивных элементов, работоспособность и техническое состояние каждого из которых определяет прочность, устойчивость и эксплуатационную безопасность сооружения в целом в ходе его жизненного цикла. Накопленный опыт строительства и эксплуатации различных объектов свидетельствует о том, что изменение условий нормального функционирования компонентов системы «основание-сооружение», заложенных на стадии проектирования, может быть вызвано самыми разнообразными причинами, основными из которых являются неравномерные деформации грунтового основания. Как следствие данные негативные воздействия вызывают повреждения фундаментных и надфундаментных конструкций и приводят к снижению или потере их несущей способности в ходе эксплуатации объектов. Причинами неравномерных деформаций основания могут являться разуплотнение грунтов при техногенных воздействиях, карстово-суффозионные процессы, увеличение внешней нагрузки на основание, резкие изменения гидрогеологических условий территории, изменение объема грунтов при химических и физических воздействиях и т.д. Неравномерные деформации грунтового основания наиболее часто встречаются в крупных городах, для которых характерна плотная застройка территорий, стесненность строительных площадок, сложность инженерно-геологической обстановки, насыщенность подземными инженерными коммуникациями и т.д.

Существующие нормативно-технические документы определяют предельно допустимые величины дополнительных совместных деформаций оснований и сооружений (вертикальных осадок и кренов) для весьма ограниченного количества типов конструктивных схем строительных объектов. В большинстве случаев неравномерные деформации основания носят сложный пространственный характер и вызывают, в свою очередь, пространственные деформации всего объекта. Для получения полной и объективной картины их влияния на техническое состояние конструкций сооружений необходимо использовать дополнительные численные критерии оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) конструкций. На сегодняшний день единой рекомендованной нормативными документами методики, позволяющей проводить подобные оценки, не существует.

В виду того, что деформационные воздействия на конструкции сооружений в результате изменения состояния и свойств основания носят в основном длительный характер, на сегодняшний день наиболее эффективным способом прогнозирования и предупреждения аварийных ситуаций является мониторинг их технического состояния, проводящийся в периодическом режиме.

Использование мониторинга для оценки технического состояния конструкций широкого класса сооружений различного назначения стало необходимой процедурой сравнительно недавно. По этой причине методы проведения мониторинга строительных объектов и трактовки получаемых в его ходе результатов, а также регламентирующая их нормативная база на сегодняшний день недостаточно проработаны, что определяет актуальность разработки эффективной методики оценки технического состояния несущих конструкций сооружений на основе данных периодического мониторинга.

Базовой составляющей разработанной методики является инженерное обследование технического состояния конструкций объекта, осуществляемое специалистами. В ходе инженерного обследования объективно выявляются происходящие изменения за счет визуального и инструментального контроля, что далеко не всегда удается осуществить с помощью автоматизированных методов мониторинга. В полном объеме инженерное обследование проводится на подготовительном этапе мониторинга и в выборочном на промежуточных этапах.

Нормативное техническое состояние конструкций сооружений в значительной степени определяется неизменностью и стабильностью их геометрических параметров (пространственное положение, пролеты, прогибы, перемещения). Контроль деформаций сооружений традиционно осуществляется путем определения развития в основном вертикальных осадок по контуру объекта в уровне основания с помощью геометрического нивелирования. При этом очевидно, что учет только вертикальных осадок в уровне основания не отражает реальной картины пространственной деформации всего объекта и изменения НДС его конструкций. Ошибки могут быть особенно велики при значительных габаритах и большой этажности сооружений, когда невозможен доступ к необходимому количеству точек для геометрического нивелирования в нужном объеме.

При сложном пространственном характере неравномерные деформации основания, вызывая пространственные деформации всего сооружения, сопровождаются повреждениями элементов его несущих конструкций по всему объему. В подобных случаях выявить полностью характер деформирования основания инструментально практически невозможно, как и численно оценить его влияние на НДС несущих конструкций. В такой ситуации непосредственный контроль пространственных деформаций сооружения позволит, не зная полностью характер и параметры деформаций основания, напрямую оценивать в ходе мониторинга изменение НДС конструктивных элементов сооружения.

Таким образом, при неравномерных деформациях основания основными параметрами, которые должны контролироваться в ходе мониторинга, являются пространственные деформаций сооружения - взаимные перемещения массива его характерных точек в нескольких уровнях по высоте и периметру объекта, которые он испытывает в результате деформационного воздействия со стороны основания. Наиболее эффективным способом решения данной проблемы является пространственно-координатный мониторинг положения характерных точек объекта с помощью современной геодезической аппаратуры, которая на сегодняшний день способна обеспечить необходимую точность и скорость измерений.

По результатам мониторинга, в соответствии с требованием СП 13-102-2003, помимо визуально-нормативной оценки технического состояния конструкций, должен производиться численный анализ их НДС на основании проверочных расчетов с уточненными данными, полученными при обследовании сооружения. На сегодняшний день проектирование и расчет строительных конструкций, как правило, осуществляется численными методами на ЭВМ с помощью специализированных вычислительных комплексов, алгоритмы которых в подавляющем большинстве основаны на методе конечных элементов (МКЭ). Данная технология является в настоящий момент основным инженерным инструментом автоматизированного математического анализа НДС строительных конструкций от любого вида внешних воздействий, включая неравномерные деформации оснований.

По этим причинам, основой содержания настоящей работы является разработка методики перехода от параметров пространственного деформированного состояния сооружения, полученного в ходе инструментальных измерений, к изменениям параметров НДС, возникшим в конструктивных элементах в результате деформационного воздействия на объект со стороны основания.

Во второй главе диссертации представлена разработанная методика геодезических измерений пространственных деформаций объектов мониторинга с использованием ПК-моделей в условиях плотной городской застройки.

Определение пространственных перемещений массива характерных точек объекта, замаркированных деформационными марками в нескольких уровнях по высоте и периметру сооружения, осуществляется путем их пространственно-координатной (ПК) съемки с помощью электронных тахеометров (рис. 1). По разности значений пространственных координат (x_i, у_i, z_i), соответствующих фактическому планово-высотному положению точек в разных циклах мониторинга, вычисляются как вертикальные, так и горизонтальные перемещения сооружения (1,2). С целью систематизации массива точек в рамках данной работы вводится понятие пространственно-координатной модели (ПК-модели) контроля деформаций сооружения (рис. 2-3). Характерные точки сооружения являются так называемыми контролируемыми узлами ПК-модели.

; (1)

(2)

В зависимости от размера сооружения и его конструктивной схемы ПК-модель может формироваться только по внешнему контуру объекта, т.е. состоять из внешних контролируемых узлов, фиксированных на фасадах. В случаях значительных габаритов или при сложной конструктивной схеме объекта для повышения точности измерений и возможности дополнительного контроля деформаций ПК-модель должна содержать контролируемые узлы внутри объекта (рис. 2).

Формирование ПК-модели осуществляется по проектной документации или по результатам обследования сооружения в зависимости его от габаритов, конфигурации в плане, этажности, расположения несущих конструкций, типа фундаментов и т.д., с учетом возможности доступа к объекту для проведения геодезической съемки. В общем случае, контролируемые узлы ПК-модели выборочно располагаются в основных узлах каркаса, в местах пересечения несущих продольных и поперечных стен, в зонах размещения деформационных швов, в местах сопряжения отдельных частей сооружения и т.д. При этом формируются вертикальные створы и горизонтальные уровни, в количестве не менее 3-х узлов в каждом из них. Общее количество контролируемых узлов устанавливается на основании критериев достоверности для объективного выявления картины пространственных деформаций объекта.

Рис.1. ПК- съемка объекта мониторинга.

Рис. 3. Пространственное перемещение вертикального створа ПК-модели.

Рис. 2. ПК-модель контроля деформаций.

Планово-высотная сеть для ПК-съемки внешних контролируемых узлов объекта создается методом полигонометрии, наиболее приемлемом в стесненных городских условиях, и включает в себя станции, расположенные на точках опорной геодезической сети (ОГС). Места расположения точек ОГС определяются территорией застройки, формой и площадью объекта мониторинга, а также доступом к нему. Съемка сооружения осуществляется в местной системе координат, наиболее выгодное расположение координатных осей которой достигается при совмещении их направления с продольными и поперечными осями сооружения, что позволяет без промежуточных вычислений определять перемещения узлов ПК-модели вдоль данных осей. Высотная сеть для определения вертикальных составляющих осадок внутренних контролируемых узлов создается методом геометрического нивелирования в единой системе высот с внешней ОГС.

Основная проблема проведения ПК-съемки в стесненных условиях плотной городской застройки заключается в ограничениях, налагаемых возможностям стандартных плоских световозвращающих марок (рис. 4а) по обратному возвращению светового потока лазерного дальномера тахеометра при критических углах падения луча менее 30°-35° к плоскости катафотного слоя марки, вследствие чего теряется возможность проведения точных измерений.

Данные ограничения в рамках настоящей работы преодолены в результате создания специализированной технологии ПК-съемки в условиях стесненного доступа к объекту мониторинга. В ее основе лежит использование специально разработанных сферических световозвращающих марок, позволяющих проводить устойчивые измерения координат при любых углах визирования с заданной точностью в большом диапазоне расстояний. Сферическая световозвращающая марка (рис. 4b) представляет собой сферу радиусом 20мм, обклеенную световозвращающей катафотной тканью. При наведении на такие марки с любой точки стояния тахеометра автоматически обеспечивается нормальное падение луча к сферической поверхности в точке наведения и прохождение его продолжения через центр сферы, что исключает эффект косого визирования и позволяет наблюдать расположенные на фасаде здания марки с любого направления без снижения точности наведения (рис. 5). Возникающая при этом константа измерений (расстояние до центра сферы) определяется экспериментально для используемого типа электронного тахеометра.

Использование сферических марок при ПК-съемке в условиях плотной городской застройки позволяет получать более полную картину пространственных деформаций сооружения за счет увеличения количества внешних узлов ПК-модели, расположенных в верхних контролируемых уровнях объекта, по сравнению с использованием стандартных плоских марок.

a)

b)

Рис. 4. a) Плоские самоклеящиеся световозвращающие марки.

b) Сферические световозвражающие марки.

Рис. 5. Характер отражения сферической световозвращающей марки.

1 - точка наведения; 2,3 - точка минимума световозвращения катафотной сферической поверхности; 4 - константа световозвращающей сферической марки; 5 - объектив светодальномера; 6 - сфера со световозвращяющим катафотным покрытием; 7 - точка критического угла падения для катафотной сферической поверхности.

Требуемая точность измерения пространственных деформаций ПК-модели обуславливается техническим заданием на производство работ, нормативными документами (ГОСТ 24846-81) на основании выбора класса точности измерений или специальными расчетами.

Точность измерений пространственных координат электронными тахеометрами соответствует техническим характеристикам приборов и, в общем случае, характеризуется среднеквадратичной погрешностью (СКП-m) измерений горизонтальных углов m_в, расстояний m_D и углов наклона m_q .

; ,(3)

где m_xy; m_z-СКП измерения координат;

D-измеряемое расстояние.

Для проведения измерений деформаций по I классу точности применяются приборы, для которых m_в=1"ч2" и m_D=(0,6ч1мм+1ч210^-6D) (рис. 6, кривая 1). Точность наиболее распространенных тахеометров, применяемых для проведения измерений деформаций в соответствии со II и ниже классами точности измерений, характеризуется m_в=3"ч6" и m_D=(2ч3мм+1ч310^-6D) (рис. 6, кривая 2,3). Представленные на рисунке 6 кривые позволяют определить область применения приведенных типов электронных тахеометров в зависимости от требуемой точности к измерениям перемещений.

Рис. 6. Теоретическая кривая зависимости абсолютной СКП измерения координат (m_xy) от величин расстояний.

Кривая 1: m_в=1" и m_D=(1мм+110^-6D)

- призма (Sokkia Net1200);

Кривая 2: m_в=5" и m_D=(2мм+210^-6D)

- призма (Sokkia Set4110);

Кривая 3: m_в=5" и m_D=(4мм+210^-6D)

- пленка (Sokkia Set4110).

Построение ПК-модели контроля деформаций объекта мониторинга производится с помощью специального разработанного программного обеспечения, выполняющего автоматизированный перевод геодезической информации в электронный чертеж и входящего в состав измерительно-информационного комплекса (ИИК), с помощью которого осуществляется ускоренный сбор и обработка данных геодезических измерений. Техническая часть ИИК базируется на использовании тахеометров фирмы Sokkia. Программная часть комплекса базируется на системе предварительной обработки геодезической информации ProLink фирмы Sokkia и системе построения электронных чертежей Autocad фирмы Autodesk. Подготовка дополнительной информации для анализа связей точек измерений при создании ПК-модели сооружения в формате так называемой матрицы ребер проводится в пакете Microsoft Excel. Затем данные передаются в графическую систему AutoCAD путем загрузки программного файла KARKAS, представляющего собой описание на языке AutoLISP последовательности операций по автоматизированному построению ПК-модели. При необходимости ПК-модель может служить основой для формирования расчетной модели сооружения, путем преобразования плоских и пространственных изображений из DXF файлов в МКЭ-модель.

В третьей главе диссертации представлена разработанная методика МКЭ-оценки НДС несущих конструкций зданий и сооружений по результатам мониторинга их технического состояния.

Построение МКЭ-модели объекта мониторинга производится поэтапно. Базовая МКЭ-модель сооружения формируется на основании анализа имеющейся в наличии проектной документации и данных, полученных в ходе инженерного обследования и геодезических измерений, проведенных на начальном этапе мониторинга с учетом фактического исходного состояния конструкций сооружения и накопленных ими в процессе предшествующей эксплуатации износа, деформаций и повреждений. Далее в ходе мониторинга формируется так называемая текущая МКЭ-модель сооружения, которая на каждом последующем этапе актуализируется за счет дополнения новыми данными, характеризующими изменение состояния конструкций в условиях последующей эксплуатации объекта (рис. 7).

Рис. 7. Текущая МКЭ-модель сооружения.

Рис. 8. ПК и МКЭ-модели сооружения.

В качестве нагрузок при проведении МКЭ расчета и анализа НДС конструкций объекта мониторинга помимо основных эксплуатационных постоянных и временных нагрузок задаются кинематические воздействия (наложенные перемещения), являющиеся зафиксированными в ходе геодезического мониторинга пространственными перемещениями контролируемых узлов ПК-модели. Для обеспечения достоверной передачи данных геодезических измерений в МКЭ-систему необходимо, чтобы узлы ПК-модели сооружения с возможно большей точностью соответствовали части узлов МКЭ-модели (рис. 8).

При неравномерных деформациях основания ПК-модель сооружения частично отражает пространственные деформации, происходящие в объеме всего сооружения. МКЭ-модель при вводе достоверно составленных нагрузочных данных (перемещений узлов ПК-модели) позволяет контролировать изменение НДС конструкций и оценивать их фактическую несущую способность в заданных условиях эксплуатации объекта. Оценка влияния зафиксированных перемещений контролируемых узлов ПК-модели на несущую способность конструкций сооружения производится после интерполяции значений перемещений в основные конструктивные узлы МКЭ-модели, к которым относятся:

· опорные узлы колонн каркаса;

· узлы соединения колонн и главных балок перекрытий;

· узлы соединения колонн и плит перекрытий;

· узлы соединения несущих стен в уровне перекрытий этажей и др.

В зависимости от количества контролируемых узлов ПК-модели и расчетной схемы сооружения интерполяция перемещений может быть одномерной - линейная, квадратичная, сплайн-интерполяция и т.д.; двумерной - билинейная, двумерная сплайн-интерполяция и т.д. При этом для вычисления промежуточных значений перемещений основных узлов МКЭ-модели истинная функция перемещений заменяется интерполяционной функцией (N_i), которая в узлах МКЭ-модели, соответствующих контролируемым узлам ПК-модели, дает «точные» значения перемещений (U_i) и позволяет определять значения перемещений () в искомых основных узлах модели.

, (4)

где - вектор, элементами которого являются перемещения основных

узлов МКЭ-модели;

- матрица, элементами которой являются интерполяционные функции;

- вектор, элементами которого являются перемещения контролируемых узлов ПК-модели.

Для реализации данной технологии используемый МКЭ-комплекс должен обладать специальным сервисом, позволяющим проводить интерполяцию перемещений узлов в автоматическом режиме.

Реализация алгоритма расчета на наложенные перемещения связана с обработкой глобальной матрицы жесткости (K), а именно с заданием граничных условий, соответствующих ненулевым значениям линейных перемещений узлов элементов конструкций. При этом рассматриваются две группы узлов:

· в первую группу входят узлы, в которых наложенные перемещения не заданы;

· во вторую группу включены узлы, перемещения которых задаются (основные узлы МКЭ-модели).

Разрешающая система уравнений МКЭ имеет вид:

.(5)

-перемещения в узлах первой группы при закрепленных узлах второй группы, вызванные нагрузкой , приложенной к узлам первой группы;

-перемещения в узлах первой группы, вызванные перемещениями узлов второй группы, при этом ;

-перемещения в узлах второй группы;

-реакции в закрепленных узлах второй группы, вызванные перемещениями узлов первой группы, при этом - нагрузка, приложенная к узлам второй группы.

В стандартных МКЭ-системах реализация расчета на наложенные перемещения в одном нагружении подразумевает автоматическое задание связей в соответствующих узлах по заданным направлениям для остальных нагружений. Это обуславливается использованием общей для всех нагружений МКЭ-модели матрицей глобальной жесткости K. В виду чего, в рамках решения поставленной задачи создаются две расчетные МКЭ-модели сооружения (рис. 9).

1. Текущая эксплуатационная МКЭ-модель сооружения рассчитывается на действие фактических нагрузок.

2. Текущая деформационная МКЭ-модель сооружения формируется на базе текущей эксплуатационной модели после удаления всех нагрузок и рассчитывается только на действие наложенных перемещений, заданных в основных узлах.

; ; , (6)

Существенное сокращение объема и времени обработки данных достигается в настоящей работе за счет разработанной технологии формирования блочной МКЭ-модели, создаваемой на базе текущей модели в соответствии с принятой конфигурацией ПК-модели (рис. 10). При этом блоки являются подконструкциями, т.е. обладают свойствами расчетной модели. В данном случае расчету может подвергаться система контролируемых блоков, выделенных из текущей деформационной МКЭ-модели, граничные узлы которых испытывают наиболее значительные зарегистрированные перемещения.

Рис. 9. Расчетные МКЭ-модели сооружения.

Согласно методике, предлагаемой в настоящей диссертационной работе, фактическое НДС конструкций сооружения, подверженного влиянию неравномерных деформация основания, на определенном этапе мониторинга рассматривается как совокупность данных расчета текущей эксплуатационной МКЭ-модели и текущей деформационной МКЭ-модели на заданные нагрузки:

НДС_факт=НДС_экс+ НДС_деф.

Анализ результатов МКЭ-расчета заключается в сравнении фактического НДС конструкций:

· с предельно-допустимыми значениями, т.е. производится оценка фактической несущей способности конструкций сооружения по предельным состояниям I и II группы:

НДС_фактНДС_норм ;

· с проектными значениями:

НДС_фактНДС_проетк ;

· со значениями НДС конструкций предыдущего этапа мониторинга, что позволяет выявлять динамику происходящих изменений за контролируемый период:

НДСНДС.

В четвертой главе диссертации рассматриваются вопросы реализации разрабатываемой методики оценки НДС несущих конструкций объектов мониторинга при неравномерных деформациях основания.

Экспериментальная апробация разрабатываемой в диссертации методики оценки НДС несущих конструкций сооружений, эксплуатируемых в условиях неравномерных деформаций основания, осуществлялась в ходе мониторинга технического состояния несущих конструкций здания многофункционального комплекса «Альфа Арбат Центр», расположенного по адресу улица Арбат, дом 1, в период с июня 2006г. по июль 2008г. Здание 9-этажное, имеет сложную в плане форму, каркас - стальной, с монолитными железобетонными перекрытиями. Объект мониторинга расположен в условиях плотной застройки в зоне со сложными инженерно-геологическими условиями, допускающими возможность значительных деформаций основания. На прилегающей территории осуществляется строительство, аналогичного по высоте многофункционального комплекса с подземной автостоянкой.

На объекте проводилась визуальная оценка технического состояния ограждающих и несущих конструкций, инструментальные измерения, фиксация пространственных перемещений массива характерных точек здания, выявление повреждений конструкций и причин их возникновения, а также анализ изменения НДС несущих конструкций здания от возможных вариантов деформаций основания и зафиксированных в ходе мониторинга перемещений характерных точек.

На объекте успешно применялась технология ПК-съемки с использованием сферических деформационных марок, что привело к снижению общего количества станций съемки в 1,5 раза, при этом количество контролируемых узлов здания в верхних уровнях было увеличено на 30% по сравнению с применением традиционных плоских марок.

ПК-модель контроля деформаций (рис. 11) создавалась путем определения координат внешних контролируемых узлов, расположенных в 14 вертикальных створах. В каждом створе были замаркированы точки на 2-4 стандартных уровнях, совпадающих с уровнями перекрытий 2, 3, 5 и 8 этажа, с помощью 12 плоских отражательных марок фирмы SOKKIA и 39 сферических отражателей. Высотное положение 48 внутренних контролируемых узлов на несущих конструкциях 3-го этажа определялось с помощью геометрического нивелирования. Со стороны площадки нового строительства также проводилась дополнительная нивелировка 33 осадочных марок.

Для создания модели комплекса «Альфа Арбат Центр» использовался программный комплекс Stark_Es фирмы «Еврософт». Рабочая версия МКЭ-модели, включает 45724 узлов и 68009 элементов (рис. 12). Для данного объекта применялась технология формирования блочной МКЭ-модели в соответствии с принятой конфигурацией ПК-модели. Всего в составе МКЭ-модели образовано 25 контролируемых блоков (КБ). Схема нагружения текущей деформационной МКЭ-модели данными геодезических измерений через ПК-модель приводится на рисунке 13.

Основным результатом применения разработанной методики стала возможность объективной количественной оценки изменения технического состояния конструкций здания на основании МКЭ-анализа их НДС при зафиксированных деформационных воздействиях со стороны основания.

Проведенное предварительное МКЭ-моделирование возможного развития осадочных процессов позволило в ходе мониторинга определить предельные величины деформаций основания и перемещений контролируемых узлов ПК-модели, до которых сохраняется нормативное техническое состояние несущих конструкций данного объекта с учетом реальных условий эксплуатации.

Рис.11. ПК-модель контроля деформаций здания.

Рис.12. МКЭ-модель оценки НДС конструкций здания.

1)2)3)

Ввод значений перемещений узлов ПК-модели в соответствующие узлы КБ Интерполяция перемещений в основные узлы каркаса КБ Расчет системы КБ на наложенные перемещения.

Рис. 13. Схема нагружения МКЭ-модели данными геодезических измерений c помощью системы контролируемых блоков.

Применение разработанных в настоящей работе ПК-моделей контроля деформаций позволяет оценивать техническое состояние объектов разнообразного назначения, в частности, таких, как искусственный насыпной холм (рис. 14) горнолыжного комплекса «Сорочаны» (МО) с расположенными на нем спортивными сооружениями.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Проведенный в диссертационной работе анализ выявил недостаточную проработанность существующих методик учета влияния неравномерных деформаций грунтового основания на техническое состояние несущих конструкций сооружений и отсутствие достаточной нормативной базы в области мониторинга строительных объектов, обеспечивающей предотвращение возникновения аварийных ситуаций.

2. Основными особенностями деформационных процессов оснований сооружений являются неравномерность и пространственный характер, вызывающие, в свою очередь, пространственные деформации всего сооружения, что необходимо учитывать для получения объективной картины их влияния на техническое состояние несущих конструкций.

3. Разработана эффективная методика оценки влияния неравномерных деформаций оснований на техническое состояние несущих конструкций сооружений, включающая процедуры инженерного обследования технического состояния конструкций, мониторинг пространственных перемещений массива характерных точек сооружения с использованием пространственно-координатной (ПК) геодезической съемки, а также МКЭ-анализ изменения напряженно-деформированного состояния (НДС) конструкций на базе зарегистрированных в ходе мониторинга перемещений.

4. Численная оценка влияния деформаций основания на НДС несущих конструкций сооружения производится с помощью МКЭ-анализа регистрируемых в ходе мониторинга перемещений сооружения, для чего введено понятие базовой МКЭ-модели, сформированной на основании проектной документации и результатов первоначального инженерного обследования, и текущей МКЭ-модели, актуализируемой по результатам выборочного обследования и геодезических измерений на этапах мониторинга.

5. Для передачи данных геодезических измерений, регистрируемых в ходе мониторинга, в текущую МКЭ-модель введено понятие ПК-модели, сформированной массивом характерных точек сооружения, совпадающих с частью узлов МКЭ-модели, и перемещения которых являются предметом геодезического контроля в ходе мониторинга.

6. Для проведения геодезических измерений в условиях плотной городской застройки разработана технология ПК-съемки при стесненном доступе к объекту мониторинга, в основе которой лежит использование сферических световозвращающих марок, позволяющих осуществлять устойчивые измерения при любых углах визирования, что расширяет возможности ПК-съемки и снижает ее трудоемкость по сравнению с традиционной технологией, основанной на использовании стандартных плоских марок.

7. Разработанная методика оценки НДС несущих конструкций позволяет обоснованно назначать предельно допустимые величины смещений основания и соответствующих им параметров пространственных перемещений контролируемых узлов для конкретного сооружения путем моделирования возможных вариантов деформационных воздействий, а также уточнять величины предельно допустимых деформаций оснований для приведенных в нормативных документах типов конструктивных схем сооружений.

8. Разработанная методика оценки НДС несущих конструкций сооружений в ходе мониторинга позволяет устанавливать необходимость проведения текущих ремонтных мероприятий по поддержанию или восстановлению нормативного технического состояния конструкций до момента, когда вероятность аварийного отказа становится выше показателя их надежности, что приводит к общему снижению трудозатрат и стоимости данных работ.

9. Результаты диссертационной работы внедрены в практическую инженерную деятельность в ходе мониторинга строительных объектов в г. Москве (здание «Альфа Арбат Центр») и Московской области (горнолыжный комплекс «Сорочаны»).

10. Выявлены следующие направления дальнейших исследований:

· автоматизация регистрации и обработки результатов измерений пространственного положения и деформаций строительных объектов за счет использование лазерных сканеров, GPS-приборов точного позиционирования и специализированных преобразователей других типов;

· разработка специализированного программного обеспечения, позволяющего совместить процедуры формирования ПК-модели и автоматизированной интерполяции ее перемещений в МКЭ-модель;

· предварительное моделирование осадочных процессов с учетом геологической структуры и совместной работы системы «основание-сооружение» для объективного прогнозирования величин предельно допустимых значений деформаций, при которых обеспечивается нормативные значения НДС несущих конструкций эксплуатируемых сооружений.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В РАБОТАХ

1. Коргин, А.В. Информационно-измерительный комплекс для проведения обмерных работ на базе цифровой геодезической аппаратуры / А.В. Коргин, И.И. Ранов, М.А. Коргина и др. // Тезисы докладов конференции Спецстроя РФ / Моск. гос. строит. ун-т. - М., 2003. - С.49-52.

2. Коргин, А.В. Автоматизированный обмер зданий и сооружений с помощью измерительно-информационного комплекса на базе цифровой геодезической аппаратуры / А.В. Коргин, М.А. Коргина, И.И. Ранов и др. // Сб. тр. каф. Испытания сооружений МГСУ / Моск. гос. строит. ун-т. - М., 2004. - С.29-34.

3. Коргин, А.В. Информационно-измерительный комплекс для проведения обмерных работ на базе цифровой геодезической аппаратуры и стереофотограмметрической аппаратуры / А.В. Коргин, М.А. Коргина, И.И. Ранов и др. // Тезисы докладов конференции Спецстроя РФ / Моск. гос. строит. ун-т. - М., 2004. - С.87-89.

4. Коргин, А.В. Мониторинг технического и эксплуатационного состояния спортивных сооружений горнолыжного комплекса Сорочаны / А.В. Коргин, М.А. Коргина, И.И. Ранов, Д.А. Поляков и др.// 3-и Денисовские чтения: сб. тр. каф. Инженерной геологии и геоэкологии МГСУ/ Моск. гос. строит. ун-т. - М., 2005. - С.65-73.

5. Коргин, А.В. Обследование и мониторинг спортивных сооружений горнолыжного комплекса Сорочаны / А.В. Коргин, М.А. Коргина, Д.А. Поляков, И.И. Ранов, Г.М. Тихомиров // Сборник докладов научно-технической конференции ИСА МГСУ / Моск. гос. строит. ун-т. - М., 2006. - С.44-46.

6. Коргина, М.А. Обследование, моделирование работы и мониторинг конструкций быстровозводимых многофункциональных сооружений / М.А. Коргина // Научные труды IX международной научно-практической конференция молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» / Моск. гос. строит. ун-т. - М., 2006. - С.18-22.

7. Коргин, А.В. МКЭ-анализ напряженно деформированного состояния зданий и сооружений по результатам геодезического мониторинга пространственного положения объектов / А.В. Коргин, М.А. Коргина, Д.А. Поляков, И.И. Ранов, Г.М. Тихомиров, // Сборник материалов международной научно-технической конференции «Интерстроймех 2006». - М., 2006. - С.36-37.

8. Коргина, М.А. МКЭ-анализ напряженно-деформированного состояния строительных конструкций на основе пространственно-координатных моделей сооружений, полученных в ходе геодезического мониторинга / М.А. Коргина, А.В. Коргин // Научные труды X международной научно-практической конференция молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» / Моск. гос. строит. ун-т. - 2007. - С.126-130.

9. Коргин А.В. Мониторинг изменения напряженно-деформированного состояния строительных конструкций зданий и сооружений на основе МКЭ-анализа пространственно-координатных моделей / А.В. Коргин, М.А. Коргина, И.И. Ранов, Д.А. Поляков // Вестн. Моск. гос. строит. ун-та. - 2007. - №4. - С.83-87.

10. Ранов, И.И. Исследование параметров отражения сферическими светевозвращающими марками при измерении расстояний электронными тахеометрами / И.И. Ранов, А.В. Коргин, М.А. Коргина, Д.А. Поляков // Вестн. Моск. гос. строит. ун-та. - 2007. - №4. - С.88-91.

11. Ранов, И.И. Экспериментальные исследования точности измерений деформаций сооружений электронными тахеометрами / И.И. Ранов, А.В. Коргин, М.А. Коргина, Д.А. Поляков // Вестн. Моск. гос. строит. ун-та. - 2007. - №4. - С.92-94.

12. Коргина, М.А. Особенности построения МКЭ-моделей эксплуатируемых сооружений, подверженных влиянию неравномерных осадок основания, в ходе мониторинга их технического состояния / М.А. Коргина, А.В. Коргин // Сборник трудов ИСА МГСУ / Моск. гос. строит. ун-т. - 2008. - С.57-61.

13. Коргина, М.А. Применение пространственно-координатной геодезической съемки для оценки технического состояния зданий и сооружений / М.А Коргина, А.В. Коргин // Научные труды XI международной научно-практической конференция молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» / Моск. гос. строит. ун-т. - 2008. С.84-88.

14. Коргина, М.А. Применение пространственно-координатной геодезической съемки для оценки напряженно-деформированного состояния конструкций зданий и сооружений с помощью МКЭ в ходе мониторинга их технического состояния / М.А. Коргина, А.В. Коргин // Сборник научных трудов VII Международной конференции «Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения» / СПбГПУ. - Санкт-Петербург, 2008. - С.176-182.

15. Коргина, М.А. МКЭ-анализ напряженно-деформированного состояния строительных конструкций на основе пространственно-координатных моделей сооружений, полученных в ходе геодезического мониторинга [Текст] / М.А. Коргина, А.В. Коргин, Д.А. Поляков, И.И. Ранов // Сборник научных докладов научно-практической конференций «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях» / Моск. гос. строит. ун-т. - 2008. - С.56-57

Размещено на Allbest.ru

...