Обґрунтування точності геодезичних робіт при будівництві і експлуатації споруд баштового типу на основі напружено-деформованого стану

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Споруди баштового типу знайшли широке застосування в народному господарстві, особливо це стосується об'єктів енергетики, тому що вони найкращим чином забезпечують виконання встановлених для них функціональних задач.

Досвід будівництва і експлуатації баштових споруд вказує на те, що нормативна база, яка регламентує точність геодезичних робіт, не відповідає сучасним вимогам. Величини допустимих похибок, які встановлюються нормами і інструкціями, носять суперечливий характер, тому що їх дія розповсюджується тільки на споруди висотою до 50 метрів. Ці суперечності приводять до того, що, в окремих випадках, призначаються необґрунтовано високі вимоги до точності виконання геодезичних робіт. Такий підхід до призначення точності є недопустимим, так як в першому випадку - точність геодезичних робіт має такий самий порядок, що і допустима похибка положення конструкції, а в другому - приведе до необґрунтованих витрат по забезпеченню призначаємої точності.

Аналізуючи в цілому принципи нормування точності інженерно-геодезичних робіт необхідно відмітити, що в основному розроблені питання розрахунку точності, які базуються лише на умовах геометричного зв'язку між елементами будівельних об'єктів.

Все це приводить до висновку про необхідність більш детальної проробки питань щодо призначення точності робіт при зведенні і експлуатації баштових споруд в залежності від конструктивних особливостей, умов експлуатації, властивостей матеріалів, що можливо вирішити на основі аналізу напружено-деформованого стану будівель.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Інженерно-геодезичні роботи є невід'ємною частиною будівельно-монтажних робіт, які дозволяють контролювати якість будівництва і забезпечують безаварійну експлуатацію баштових споруд. Дисертаційна робота виконана згідно планів наукової роботи кафедри автоматизації геодезичних вимірювань Київського національного університету будівництва і архітектури.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є обґрунтування і розрахунок точності геодезичних робіт при будівництві і експлуатації споруд баштового типу на основі аналізу їх напружено-деформованого стану.

Задачі досліджень:

- аналіз існуючих методів зведення баштових споруд;

- побудова фізичної моделі баштових споруд і вибір методу її дослідження;

- дослідження впливу похибок геодезичних робіт, які супроводжують процес зведення баштових споруд кругового перерізу, на просторове положення вузлів;

- розробка методики розрахунку допустимих похибок зведення споруд баштового типу;

- розробка методики розрахунку точності геодезичних робіт при будівництві баштових споруд;

- обґрунтування місць розташування марок при спостереженнях за деформаціями баштових споруд.

Наукова новизна одержаних результатів:

- розроблена методика попереднього розрахунку і моделювання величин початкових зміщень вузлів баштових споруд кругового перерізу, поява яких обумовлена похибками геодезичних робіт;

- розроблена методика розрахунку точності геодезичних робіт при будівництві баштових споруд кругового перерізу;

- розроблена модель напружено-деформованого стану баштових споруд, яка дозволяє враховувати не тільки нормативне навантаження, але й початкові зміщення вузлів;

- розроблена методика, яка дозволяє обґрунтовано підійти до вибору місць розташування марок і точності спостережень за деформаціями баштових споруд, на основі аналізу напружено-деформованого стану.

Практичне значення одержаних результатів полягає:

- в розробці алгоритму і програми числової реалізації одновимірних задач;

- в розробці алгоритму і програми для попереднього розрахунку і моделювання величин початкових зміщень вузлів баштових споруд кругового перерізу;

- в оптимізації геодезичних робіт при зведенні споруд баштового типу методом ковзної опалубки;

- в розробці методики вибору місць розташування марок і точності спостережень за кренами баштових споруд.

1. Загальні відомості про баштові споруди, способи спорудження баштових споруд методами ковзної і переставної опалубки. Розгляд питаннь пов'язаних з технологією геодезичних робіт при будівництві споруд баштового типу

Аналіз нормативної документації дає підставу говорити, що вона не відповідає сучасним вимогам, а в деяких випадках носить суперечливий характер.

Згідно СНиП 3.01.03-84, для монолітних споруд, які зводяться в ковзній опалубці, величина відхилень d від вертикалі в залежності від висоти Н визначається по формулі:

d1 = 0,002Н, (1)

але не більше 100 мм.

Правомірність призначення подібних допусків представляється суперечливою тому, що межі дії формули (1), з урахуванням допустимої величини відхилень в 100 мм розповсюджується тільки до висоти 50 м.

При визначенні невертикальності споруд в процесі експлуатації точність геодезичних робіт встановлюється згідно формули:

d2 = 0.0005Н, (2)

яка встановлюється незалежно від величини d1 і при висотах споруд більше 200 м похибки перевищують допустиме значення.

Все це приводе до висновку про необхідність подальших досліджень питань призначення точності геодезичних робіт при будівництві і експлуатації баштових споруд.

Існують різні підходи до встановлення необхідної точності геодезичних вимірів при зведенні будівельних об'єктів. Рішенню цих питань присвячені роботи і дослідження М.Г. Відуєва, Т.Т. Чмчяна, С.П. Войтенка, В.С. Ситніка, Ю.В. Столбова, В.Є. Новака, В.В. Буша, В.В. Калугіна, О.І. Саара і інших.

Для збірного будівництва житлових будинків і промислових споруд ця задача в основному була вирішена після того, як була обґрунтована і впроваджена в практику будівництва теорія розмірних ланцюгів. Методика нормування точності геодезичних вимірів, яка базується на теорії розмірних ланцюгів, розглядає лише геометричну сторону зведення споруд, не враховуючи її напружено-деформованого стану.

Питання призначення точності може бути вирішено на основі аналізу напружено-деформованого стану побудованої фізичної моделі споруди.

2. Питання побудови фізичних і математичних моделей споруд баштового типу

Складність і унікальність споруд баштового типу пред'являють до геодезичних спостережень за деформаціями особливі вимоги. Головними вимогами таких спостережень являються точність і об'єктивність.

Справа в тому, що в ідеалі точність і об'єм геодезичних спостережень повинні бути оптимальними для об'єкта, який досліджується. Одним з ефективних шляхів оптимізації геодезичних спостережень є використання апріорних знань про статичну або динамічну роботу в процесі зведення та експлуатації. Такі знання можна отримати на основі моделювання напружено-деформованого стану.

В розрахунках напружено-деформованого стану виділені наступні основні етапи:

1. Побудова фізичної моделі шляхом ідеалізації властивостей конструкції і дії зовнішніх сил. Фізична модель може бути визначена системою фізичних характеристик, які отримані на основі відомої структури об'єкта, характеристик окремих його елементів і впливу зовнішніх факторів, в тому числі і навколишнього середовища, в якому розташовано об'єкт і в якому виконуються виміри.

2. Побудова математичної моделі - математичне формування поведінки фізичної моделі.

3. Вибір методу дослідження математичної моделі і проведення цього дослідження.

4. Аналіз отриманого математичного результату.

Створити реальну фізичну модель роботи споруди досить складно, а в деяких випадках неможливо. Це змушує заміняти реальну фізичну модель деякою апроксимуючою розрахунковою моделлю.

При переході від фізичної до розрахункової моделі складні математичні залежності або співвідношення заміняються більш простими наближеними або апроксимуючими співвідношеннями. Крім того, в розрахунок вводиться гіпотеза про властивості конструкції і дію зовнішніх сил.

В якості розрахункової моделі для баштових споруд використано консольний стержень змінного перерізу защемлений нижнім кінцем. Така модель є досить простою і в той же час досить представницькою. Математична модель згину описується рівнянням:

, (3)

де EI - приведена жорсткість поперечного перерізу; - горизонтальне зміщення осі стержня; q - поперечне статичне навантаження.

Деформація конструкції визначається безпосереднім інтегруванням диференційного рівняння (3), враховуючи граничні умови, які характеризують способи закріплення.

Рівняння деформаційної кривої консолі постійної жорсткості EI під дією рівномірно розподіленого навантаження q має вигляд:

. (4)

У випадку залежності жорсткості EI від повздовжньої координати диференційне рівняння (3) розв'язується чисельними методами. Для цього вибрано найбільше ефективний метод розв'язання граничної задачі для систем звичайних диференційних рівнянь - метод дискретної ортогоналізації Годунова.

Для розв'язання динамічної задачі використано наближений метод, для чого була введена дискретно-континуальна модель.

Математична модель дискретно-континуальної фізичної моделі, в якій жорсткостні властивості враховуються континуально, а інерційні-дискретно, представляє собою систему n-рівнянь руху:

(i=1,2,3…n). (5)

Тут - горизонтальне переміщення в точці прикладання маси Mi від дії горизонтальної зосередженої силы P=1, яка знайдена рішенням рівняння (3) за допомогою метода Годунова.

Аналіз виконаного розрахунку одновимірних розрахункових моделей показав, що основними характеристиками, які в подальшому використовуються в якості базових для оцінки похибок геодезичних робіт, являються згинаючий момент і поперечні прогини.

В результаті дослідження розрахункової моделі встановлена функціональна залежність між величинами, які характеризують міцність конструкції, і величинами деформацій, які визначаються в процесі виконання геодезичних робіт.

3. Методика попереднього розрахунку технологічної точності зведення споруд баштового типу на основі визначення еліпсоїдальних похибок і моделювання початкових зміщень вузлів

В практиці геодезичного забезпечення будівництва важливим моментом є апріорна оцінка точності просторового положення вузлів і споруди в цілому. На основі такої оцінки виникає можливість отримати більш повну і достовірну картину напружено-деформованого стану, яка враховує похибки проектного положення вузлів, що приводе до появи додаткових зусиль в вузлах споруди. Початкові зміщення повинні бути враховані при спостереженнях за деформаціями споруд в період експлуатації. Крім того, на основі допустимих значень похибок проектного положення вузлів можливо призначати або корегувати точність виконання всіх технологічних етапів зведення споруд.

Для визначення параметрів еліпсоїда необхідно знайти проекції векторіальних похибок mi на координатні вісі X,Y,Z. При цьому необхідно враховувати, що дія похибок не обмежується тільки проекціями, має місце взаємний вплив. Проектне положення вузлів конічної монолітної димової труби спотворюється дією таких векторіальних похибок: m1-відхилення осі від вертикалі за рахунок монтажу; m2 -визначення проектної відмітки на нульовому горизонті; m3 - вертикального проектування осі; m4 і m5 -виміру відстані (радіусу).

Rпр відповідно вздовж осі X і Y ; m6-передачі відмітки на монтажний горизонт; ; m7-різниці відміток робочої підлоги опалубки. На основі аналізу впливу похибок m1 - m7 отримані повні формули похибок положення вузла відносно координатних вісей X,Y,Z:

, , , (6)

де ki - коефіцієнти впливу похибок mi на положення вузла вздовж вісей X, Y, Z.

Параметри тривимірного нормального розподілу А визначаються за формулами:

, , (7)

де К- матриця коефіцієнтів, М -діагональна матриця похибок.

,.

Особливості геометрії баштових споруд кругового перерізу дозволяють зробити висновок, що основний напрям дії похибок, які впливають на вертикальність вісі, лежить в площині XOY, що дає можливість перейти до еліпсу похибок.

За параметрами нормального розподілу А визначаються велика, мала піввісі еліпса та кут між великою піввіссю еліпса і віссю OY. На основі отриманих параметрів еліпса визначені похибки положення вузлів відносно вісей X і Y за формулами:

, , (8)

де r - коефіцієнт кореляції піввісей еліпса похибок.

Теоретичні розробки лягли в основу розробленої програми для ПЕОМ, яка дозволяє виконати попередній розрахунок початкових зміщень вузлів вздовж вісей X і Y, і на цій основі моделювати похибки положення вузлів за нормальним законом.

Визначення допустимих похибок зведення баштових споруд основане на аналізі напружено-деформованого стану з урахуванням початкових зміщень вузлів, які приводять до появи додаткових згинаючих моментів.

Допустимі похибки визначені за умови, що в кожному перерізі додатковий згинаючий момент не буде перевищувати опору із імовірністю Н(0), заданою при розрахунку. Повна похибка згинаючого моменту визначається з рівняння:

, (9)

де bg- гауссовий показник надійності; rMR- коефіцієнт кореляції згинаючого моменту М і опору R.. Опір і згинаючий момент визначаються згідно формул СНиП 2.03.01.92.

Автором отримана формула визначення допустимої похибки технологічного процесу зведення баштових споруд кругового перерізу:

, (10)

де mM - середня квадратична похибка визначення згинаючого моменту; е - ексцентриситет прикладання зусилля; mN - середня квадратична похибка визначення нормальної (власна вага) сили; EI - приведена жорсткість;(Dx) - відстань між розглядаємими перерізами.

На основі теоретичних розробок виконано розрахунок допустимих похибок зведення димової залізобетонної труби. Результати отримані для показника надійності Н(0)=0,9999, якому відповідає гауссовий показник bg =3,75. Вибір такого показника надійності обґрунтовано на основі коефіцієнту запасу, який встановлюється “Правилами учета степени ответственности зданий и сооружений при проектировании конструкций”( СНиП 2.01.07-85 ), згідно цих правил, будівлі і споруди ТЕЦ і АЕС, в тому числі і димові труби, відносяться до I класу відповідальності будівель і споруд з коефіцієнтом надійності по призначенню gН = 1,0.

4. Методика визначення точності геодезичних робіт при будівництві баштових споруд на прикладі димової труби висотою 120 метрів на основі отриманого технологічного допуску зведення баштових споруд

Аналіз похибок, які супроводжують процес зведення, показав, що домінуючий вплив на проектне положення вертикальної вісі мають похибки, які діють в площині XOY. Виходячи з цього, сформовані дві групи похибок, до першої групи ввійшли похибки, які діють в площині XOY, до другої - які діють вздовж вісі Z.

Застосувавши принцип рівновеликого впливу до окремих похибок в кожній із груп і принцип мізерності впливу до похибок першої групи, маємо:

, (11)

тоді:

, i = 1,3,4,5,7 , , i = 2,6.

Аналіз отриманих значень допустимих похибок дозволяє зробити висновок про необхідність диференційного підходу до призначення точності геодезичних робіт в залежності від висоти і величини згинаючого моменту.

Розроблена автором методика дозволяє оптимізувати геодезичні роботи, іншими словами, відзначити, з якою частотою по висоті (Dx) необхідно контролювати рух опалубки в процесі зведення, якщо величини допустимих похибок спеціально обумовлені в технічному проекті.

З метою обґрунтування точності спостережень за деформаціями баштових споруд розроблена фізична модель напружено-деформованого стану, яка дозволяє враховувати вплив факторів, поява яких обумовлена похибками геодезичних робіт.

Виконано розрахунок по першій групі граничного стану ( розрахунок на міцність). Для визначення додаткових згинаючих моментів розраховані горизонтальні переміщення:

, (12)

де Bi - згинаюча жорсткість i - го перерізу; Bc - згинаюча жорсткість центру i - го перерізу.

Повне переміщення розраховується по формулі:

, (13)

де - переміщення, обумовлене креном фундаменту; - переміщення, викликане вітровим навантаженим; - переміщення з урахуванням початкових недосконалостей.

За результатами розрахунку напружено-деформованого стану димової труби, по формулі (10), побудовані графіки еквівалентних переміщень вісі ствола труби, обумовлені похибками згинаючого моменту, під дією нормативного вітрового навантаження, початкових недосконалостей і сумісної дії.

Аналіз графіків підтверджує, по-перше, правильність висновків, зроблених раніше, про необхідність врахування початкових недосконалостей при встановленні точності геодезичних робіт. Це чітко видно із порівняння кривої 2, яка представляє собою переміщення під дією вітрового навантаження, і кривої 1, яка враховує початкові недосконалості. Крива 3 відповідає сумісній дії. По-друге, розроблена модель дозволяє обґрунтувати диференційність підходу до призначення точності геодезичних робіт при спостереженнях за деформаціями споруд на основі зміни величини згинаючого моменту по висоті під дією різних факторів.

З графіків видно, що точність геодезичних робіт повинна бути вищою при спостереженнях в защемлені і в верхніх ярусах труби у порівнянні з точністю спостережень в середині труби. Це пояснюється тим, що в защемлені величина згинаючого моменту максимальна і незначні похибки приводять до значних змін згинаючого моменту. В верхній частині труби величина згинаючого моменту мінімальна, тому точність спостережень повинна бути високою для того, щоб встановити ці незначні по величині зміни згинаючого моменту.

Місця розташування марок при спостереженнях за деформаціями повинні вибиратися таким чином, щоб по результатам виміряних відхилень в цих точках можна було судити про стійкість споруд.

Така задача реалізована автором на основі встановленої математичної залежності між величинами відхилень від вертикалі вісі залізобетонної труби і величиною зовнішнього навантаження, отриманої із аналізу напружено-деформованого стану вибраної розрахункової моделі.

Припускаючи, що похибки геодезичних робіт носять випадковий характер, внаслідок цього при визначенні відхилень спостерігається не істинне відхилення, яке описується рівнянням (4), а спостережене . Спостережена крива буде апроксимувати істинну (деформаційну), маючи з нею точки перетину.

Спостережена крива описується рівнянням:

, (14)

де сi - коефіцієнти ряду Фурьє функціі f (х).

Рішення у випадку постійного навантаження має вигляд:

. (15 )

Спостережена крива буде мати перетини з деформаційною, кількість (n) яких залежить від точності геодезичних робіт, т.б. повинна дотримуватись умова:

, (16)

де d - допустима похибка визначення крена.

Виконано розрахунок по визначенню кількості і місць розташування точок спостережень за деформаціями. По результатам розрахунку побудовані графіки деформаційної і спостереженої кривих для різних величин допустимих похибок визначення крена.

З графіків видно, що при збільшенні точності визначення крена збільшується кількість точок спостережень.

По формулі (10) розрахована точність спостережень в точках, місце розташування яких обґрунтовано по методиці, яка приведена вище.

Результати досліджень, які пов'язані з обґрунтуванням місць і точності спостережень за деформаціями баштових споруд, впроваджені в Київському державному інституті вишукувань і досліджень ''Енергопроект'' при визначенні кренів димових труб Київської ТЕЦ-5.

Висновки

1. Аналіз нормативної документації і праць, які присвячені практичному досвіду будівництва і експлуатації споруд баштового типу, вказує на необхідність детальної проробки питань пов'язаних з призначенням точності геодезичних робіт. Причина цього - суперечливість в призначенні допусків, діючими нормами і правилами на виробництво геодезичних робіт.

2. Для баштових споруд запропонована розрахункова модель у вигляді консольного защемленого стержня змінного перерізу і виконано її дослідження.

3. Розроблена методика попереднього розрахунку і моделювання величин початкових зміщень вузлів споруд баштового типу, обумовлених похибками геодезичних робіт.

4. Розроблена методика розрахунку допустимих технологічних похибок зведення баштових споруд кругового перерізу.

5. Розроблена методика розрахунку точності геодезичних розмічувальних робіт при будівництві споруд баштового типу.

6. Розроблена модель напружено-деформованого стану залізобетонної димової труби, яка дозволяє враховувати не тільки нормативне навантаження, але і початкові недосконалості, поява яких обумовлена похибками геодезичних розмічувальних робіт.

7. Розроблена методика, яка дозволяє обґрунтовано підійти до вибору місць розташування марок і точності спостережень за деформаціями баштових споруд на основі аналізу напружено-деформованого стану.

геодезичний баштовий просторовий допустимий

Література

1. Староверов В.С., Бачишин Б.Д., Егоров А.И. Расчет точности положения узла сборных сооружений // Инженерная геодезия. - К.: Будівельник. - 1990. - Вып. 33. - С. 81-85.

2. Староверов В.С., Егоров А.И. Исследование устойчивости инженерных сооружений по результатам геодезических наблюдений //Геодезическое обеспечение строительства и эксплуатации инженерных сооружений. - М.: ЦНИИГАиК, 1987. - С. 68-72.

3. Староверов В.С., Егоров А.И. К расчету точности наблюдений за осадочными марками в условиях воздействия динамических нагрузок //// Инженерная геодезия. - 1997. - Вып. 39. - С. 125-127.

4. Староверов В.С., Егоров А.И. О назначении точности наблюдений за деформациями инженерных сооружений //// Инженерная геодезия. - 1988. - Вып. 31. - С. 92-94.

5. Староверов В.С., Егоров А.И. Обоснование выбора мест и расчет точности наблюдений за деформациями инженерных сооружений (на примере сооружений башенного типа) //// Инженерная геодезия. - 1991. - Вып. 34. - С. 87-91.

6. Староверов В.С., Егоров А.И., Гордышев С.И. Обоснование мест наблюдений отклонений от вертикали сооружений башенного типа // Научные труды ВАГО “ Проблемы внедрения новой техники и технологии в топографо-геодезическое производство. - М. - 1990. - С.52-55.

Размещено на Allbest.ru