Информационно-измерительная и управляющая система для строительно-монтажных работ

Цель работы состоит в создании научно-методических основ моделирования и аппаратно-программных средств информационно-измерительной и управляющей системы, направленных на разработку математической модели и ее численного аналога пространственной системы ЗФО и повышение уровня контроля деформаций зданий и сооружений, обеспечивающих автоматизацию процесса установки крупноблочных конструкций в проектное положение, возможность учета появления трещин в кирпичной кладке или железобетоне, что будет способствовать совершенствованию вычислительных технологий оценки решений в условиях возникновения воздействий, не предусмотренных первоначальным проектом, внедрение которых имеет существенное значение для решения проблемы безопасности зданий и сооружений.

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать базовую математическую модель пространственной системы ЗФО для исследования напряженно-деформированного состояния элементов конструкций при различных внешних воздействиях, методику построения конечно-элементной модели системы ЗФО и разработать универсальную программу для построения и расчета типовых зданий для использования ее при проектировании новых и реконструкции существующих объектов строительства;

- определить математическую модель механического поведения кирпичной кладки в условиях сложного напряженного состояния, учитывающую структурные разрушения и деформационное разупрочнение для анализа процессов деформирования и разрушения несущих стен кирпичных зданий. Выполнить исследование и верификацию алгоритма решения задачи;

- создать новые технологические способы и технические решения в определении микросмещений точек исследуемых объектов в вертикальных и горизонтальной плоскостях, учитывающие особенности лазерных и фото- приемных устройств и обеспечивающих требуемую точность маркшейдерско-геодезических измерений;

- предложить модели по корректировке и фиксации объектов монтажа при маркшейдерско-геодезической оценке координат их положения с использованием лазерных приборов;

- провести анализ и расчет абсолютных и относительных погрешностей функциональных величин координатных оценок и их учет при управлении процессом производства работ;

- осуществить разработку схем, подбор приборного обеспечения, методов расчета системы автоматизированного контроля состояния и положения реперных точек исследуемых объектов с использованием лазерных устройств;

- выполнить экспериментальные исследования для получения данных по сопоставлению, оценке теоретических расчетов результатов экспериментов с данными геодезических измерений и факторами, на них влияющими при производстве горнопромышленных работ;

- применить разработанные технические решения, технологические процессы и алгоритмы для: определения геодезических координат и микродеформаций в различных плоскостях; прогнозирования и оценки надежности функционирования сооружений горнопромышленного комплекса.

Основу методологической и теоретической базы исследования составили научные труды отечественных и зарубежных авторов в области математического моделирования (С.П. Курдюмов, Г.Г. Малинецкий, А.А. Самарский, П.В. Трусов, Дж. Эндрюс, Р. Мак-Лоун и др.), механики деформируемого твердого тела (И.А. Биргер, В.Г. Зубчанинов, А.А. Ильюшин, Л.М. Качанов, А.С. Кравчук, А.И. Лурье, В.А. Ломакин, Н.Н. Малинин, В.В. Новожилов, Б.Е. Победря, Л.И. Седов и др.), численных методов (О. Зенкевич, Г.И. Марчук, Дж. Оден, Б.Е. Победря, Л. Розин, А. Сегерлинд, Г. Стренг, Ф. Сьярле, Дж. Фикс, Р.В. Хемминг и др.), механики разрушения материалов (В.Э. Вильдеман, Ю.В. Соколкин, А.А. Ташкинов, Я.Б. Фридман и др.), методов расчета строительных конструкций (С.М. Алейников, В.И. Андреев, А.Н. Бамбура, В.А. Барвашов, В.А. Ильичев, В.Г. Федоровский, Л.А. Бартоломей, О.Я. Берг, В.В. Болотин, Н.М. Герсеванов, М.И. Горбунов-Пассадов, Т.А. Маликова, Л.И. Онищик, А.В. Перельмутер, В.И. Сливкер, В.И. Соломин)

Методы исследований по созданию аппаратных средств информационно-измерительной и управляющей системы основаны на использовании теоретических положений по применению современных лазерных приборов, технических и технологических решениях, связанных с ними, применении теории автоматического управления, приборов и систем управления, теорий расчета лазерной техники и фотоприемнорегистрирующих устройств и инструментов, а также теории машин и механизмов и сопротивлении материалов и основ метрологии измерительной техники.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов обеспечивается корректной математической постановкой задач, использованием фундаментальных положений механики деформированного твердого тела и вытекающих из них формулировок математических моделей. Достоверность численных решений подтверждается совпадением результатов с экспериментальными данными. Во всех случаях подтверждена практическая сходимость вычислительного процесса и точность выполнения естественных граничных условий. Достоверность конечных результатов проверена успешной практической реализацией проектов независимо от автора по месту внедрения разработанных методик и программ.

Достоверность полученных тактико-технических характеристик автоматизированной измерительной и управляющей системы обусловлена и подтверждается корректным использованием достижений в областях лазерного приборостроения и применения его в теории автоматического управления при производстве маркшейдерско-геодезических работ, экспериментальной проверкой полученных результатов в лабораторных и промышленных условиях, сходимость которых составила 80%.

На защиту выносятся совокупность разработанных теоретических положений подходов, методов, алгоритмов и программных средств моделирования процессов деформирования и разрушения строительных сооружений при исследовании их безопасности, а также синтез систем автоматического управления, являющихся дальнейшим развитием теории и практики в автоматизации процессов монтажа строительных конструкций и маркшейдерско-геодезического контроля зданий и сооружений, в том числе:

- обоснование постановки задачи математического моделирования пространственной системы ЗФО для исследования напряженно-деформированного состояния элементов конструкций при различных внешних воздействиях, определяющих соотношениях и граничных условиях;

- разработка математической модели нелинейного механического поведения кирпичной кладки в условиях сложного напряженного состояния, учитывающая процессы накопления упруго-хрупких повреждений и закритического деформирования;

- автоматизация способов управления, корректировки, исполнения и фиксации элементов объектов строительства при маркшейдерско-геодезической оценке координат их положения и установки;

- разработка математической модели перемещения монтируемых конструкций, как объекта управления, и представление ее структурной схемы устойчивости и обоснование необходимости синтеза системы управления;

- принципы экстраполяции траектории движения конструкции в зависимости от наличия возмущений, позволяющие исключить перерегулирование при управлении, что обеспечивает перемещение конструкции с минимальной кривизной траектории и способствует повышению эксплуатационных характеристик строящихся сооружений;

- алгоритм управления процессом центровки конструкций, дающий возможность преобразовывать отклонения их центра от заданной лазерной опорной оси в соответствующие сигналы для двигателей механизмов радиального перемещения, обеспечивает надежное выполнение этой операции с точностью в мм;

- анализ и расчет абсолютных и относительных погрешностей функциональных величин координатных оценок и их учет при управлении процессом производства работ, с применением лазерных устройств, обеспечивающих необходимое быстродействие, зону контроля для управления мобильными объектами различного технологического назначения;

- разработка способа для определения микросмещений точек исследуемых объектов в вертикальных и горизонтальной плоскостях, обеспечивающих требуемую точность маркшейдерско-геодезических измерений.

Научную новизну исследования составляют:

- развитие методологии создания математического и программного обеспечения для исследования процессов деформирования и разрушения существующих зданий с развивающимися трещинами и дефектами при воздействиях, не предусмотренных при проектировании этих объектов;

- создание обобщающей математической модели механического поведения упруго-хрупкого материала кирпичной кладки в условиях сложного напряженного состояния с учетом процессов структурного разрушения и деформационного разупрочнения материала, отличающейся от известного тем, что изначально (и после разрушения) материал является ортотропным;

- раскрытие новых закономерностей процесса разрушения кирпичных строений для разработки комплекса показателей оценки безопасности в зависимости от физико-механических свойств материала кирпичной кладки и свойств нагружающих систем;

- применение лазерной техники для строительно-монтажных работ позволило создать референтное направления в виде ориентированной в пространстве прямой линии или плоскости (горизонтальной, вертикальной или наклонной), разработать визуальные и фотоэлектрические способы регистрации положения контролируемых точек в пространстве; изучить факторы, влияющие на деформацию и отклонение лазерного луча от заданного направления для введения соответствующих коррекций и разработать автоматизированные лазерные следящие системы с обратной связью;

- разработка новых технологических способов определения микросмещений точек исследуемых объектов в вертикальных и горизонтальной плоскостях, что позволило обеспечить требуемые точность и оперативность маркшейдерско-геодезических измерений;

- проектирование технических средств, основанных на особенностях лазерных излучателей и фотоприемнорегистрирующих устройств, позволяющих производить оценку координат, управление исполнением, перемещением и фиксацию элементов строительных конструкций;

- разработка методик анализа и расчета абсолютных и относительных погрешностей функциональных величин координатных оценок и учета их при управлении процессом производства работ с применением лазерных устройств;

- создание схем, технических решений, технологических приемов и алгоритмов, объединенных в автоматизированную систему контроля и управления строительными объектами и процессами, позволяющими более точно оценивать положения реперных точек исследуемых объектов и своевременно обнаруживать признаки, предшествующие возникновению чрезвычайных и аварийных ситуаций, для принятия оперативных мер по их предупреждению при производстве строительно-монтажных работ;

Практическая полезность исследования заключается в том, что в результате комплексных исследований на практике реализуются принципы и методы экспертных оценок безопасности поврежденных строительных конструкций на основе прогнозирования аварийных ситуаций и анализа деформационных ресурсов структурно-неоднородных материалов, решаются фундаментальные задачи по применению уточненного прочностного анализа, включающего оценку безопасности, ответственных конструкций на основе комплексного анализа факторов, влияющих на характер процессов развития дефектов и определяющих живучесть систем; создание аналитической информационной системы экспертных оценок аварийности поврежденных строительных конструкций.

Разработана автоматизированная система контроля монтажа крупноблочных строительных конструкций, позволяющая снизить затраты и сроки строительства. Выписана математическая модель монтажа крупноблочных строительных конструкций как объекта управления, которая позволяет обеспечить минимальные значения отклонений и кривизны траектории движения, что позволило повысить качество промышленного строительства и эксплуатационные характеристики возводимых сооружений и высокую точность их деформаций. При этом установлены зависимости тока засветки фотодиода от перемещения фотоприемного устройства в вертикальной, горизонтальной и продольной плоскостях.

Лазерные информационно - измерительные системы, разработанные на основе предложенных новых способов и технических решений, испытанные в лабораторных и натурных условиях, внедренные в производство, определяют траекторию движения конструкции с точностью 1…2 мм на 100 м, о чем свидетельствует хорошая сходимость расчетных и фактических параметров траектории (ошибка не превышает 6 %).

Разработаны алгоритм и программы обработки информации по слежению за смещением и деформацией сооружений и программы для САПР строительно-монтажными работами.

Реализация работы. Способ и система обнаружения и измерений микродеформаций приняты для использования на наблюдательных станциях «Мосспецподземшахтопроходка», предприятиях ФГУП «Атомэнергопроект» Росатома и объектах ООО фирмы «Трансгидрострой» Московского строительного комплекса.

Применение методов математического моделирования с использованием ЭВМ позволило решать нестандартные задачи, возникающие при проектировании, реконструкции в условиях плотной окружающей застройки, снижать сроки строительства и повышать эффективность принятия проектных решений.

Результаты исследований используются в учебном процессе ГОУ ВПО «Московский государственный открытый университет» при изучении дисциплины «САПР в строительстве» студентами специальностей «Промышленное и гражданское строительство» и «Производство строительных конструкций».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и получили одобрение на научных конференциях: Всесоюзной и международной зимние школы по механике сплошных сред (Пермь, 2003, 2005), VIII Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Пермь, 2001), Межведомственной конференции «Современные проблемы информационных технологий», (Москва, 1996); «Информационные технологии в горном и металлургическом производстве». Российской научной LV сессии, посвященной дню радио; «Радиотехника, электроника и связь на рубеже тысячелетия», (Москва, 2000); XXXVI Научной конференции РУДН, (Москва, 2000); Шестой научно-технической конференции «Информационные технологии в промышленности и учебном процессе», (Москва, 2001); Научно-техническая конференция «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт», (Новосибирск, 2002); Конференция научно-технических работников вузов и предприятий, (Новосибирск, 2003); Международная научно-техническая конференция «Программно-аппаратные средства для контроля технического состояния промышленных сооружений в условиях севера», (Тюмень, 2003); Международных научно-технических конференциях «Информационные технологии в инновационных проектах» (Ижевск, 2003-2004); Международном симпозиуме «Надежность и качество» (Пенза, 2004); VI Международный конгресс по математическому моделированию (Нижний Новогород, 2004); 6th international conference «Vibroengineering 2006» (Каунас, Литва, 2006); 2-ая Международная научно-практическая конференция «Новые технологии и автоматизированные системы в строительстве», (Москва, 2006), Международной научно-технической конференции «Многопроцессорные вычислительные и управляющие системы» (пос. Дивноморское, Краснодарский край, 2007).

Публикации. Основные научные результаты по теме диссертации опубликованы в 45 научных работах общим объемом 82,66 п.л., в том числе авторские - 49,6. Автор имеет 12 научных трудов в издании, выпускаемом в РФ и рекомендуемом ВАКом для публикации основных результатов диссертаций.

Структура диссертационной работы определяется общим замыслом и логикой проведения исследований. Диссертация содержит введение, 7 глав и заключение, изложенные на 337 страницах машинописного текста, включает 99 рисунков, 18 таблиц, список литературы из 353 наименования. В приложении к диссертации приведены документы, подтверждающие использование результатов работы и их эффективность.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована актуальность рассматриваемых вопросов, обосновывается ее значимость, перечисляются основные цели и задачи диссертационной работы, приводятся научные положения и результаты, выносимые на защиту, излагается краткое содержание диссертации.

В первой главе приведена общая характеристика зданий и сооружений, представляющих собой сложные многоэлементные системы с неоднородной структурой и различными прочностными и деформационными характеристиками элементов конструкций и связей между ними. Обсуждаются актуальность проблемы безопасности строительных объектов и необходимость разработки критериев и параметров нормирования безопасности. Проводится анализ существующих математических моделей и методов расчета сооружений и обосновывается необходимость совместного расчета здания, фундамента и деформируемого грунтового основания как единого целого. В результате анализа существующих математических моделей описания механических свойств и критериев разрушения материалов системы ЗФО отмечается, что в них, как правило, не учитываются процессы структурного разрушения и деформационного разупрочнения материалов и свойства нагружающих систем. Учет влияния вида напряженного состояния и процессов структурного разрушения неоднородных сред становится возможным при использовании методов математического моделирования с применением современных численных методов и программных комплексов, реализующих их на ЭВМ.

На основании проведенного анализа современного состояния и подходов к решению проблемы безопасности зданий и сооружений с развивающимися трещинами и дефектами при воздействиях, не предусмотренных при проектировании этих объектов, приводится обоснование состава и структуры частных задач исследования.

Показано, что строительно-монтажные работы остаются все еще трудоемкими. Вручную выполняются такие процессы, как устройство растворной панели, закрепление и снятие подкосов для временного крепления и выверки панелей, герметизация стыков, устройство термопакетов, сварка и антикоррозийные покрытия. Установлено, что наличие высокой доли операций, выполняемых вручную, объясняется несовершенством применяемой оснастки и методик выверки строительной конструкции в пространстве. При этом монтажники работают в условиях повышенной опасности.

Выявлена необходимость создания информационно-измерительных систем, обеспечивающих своевременное прогнозирование, контроль деформаций строительных конструкций и автоматизацию управления технологическими процессами транспортировки, предварительной установки и выверки положения монтируемых строительных конструкций, с последующим контролем деформаций сооружений на базе лазерной техники.

Во второй главе разработана базовая математическая модель для прочностного анализа пространственной системы ЗФО.

Для анализа безопасности требуется разработать математическую модель сооружения, которая позволяла бы описывать напряженно-деформированное состояние элементов конструкций от различных внешних воздействий (силовых и кинематических), оценивать вероятность возникновения и процесс развития трещин, определять резерв несущей способности сооружения. Модель каждого проектируемого объекта является одновременно и частью модели целого класса объектов, ее уточнением и конкретизацией значений ее параметров применительно к заданным локальным характеристикам внешней среды.

Расчет таких зданий в соответствии с нормативными документами по проектированию жилых зданий проводится на действие статических нагрузок, таких как собственный вес несущих стен здания, перекрытий, временная нагрузка на перекрытия, в некоторых случаях учитываются временные нагрузки (ветровые и снеговые). Основную опасность для таких зданий представляют неравномерные осадки основания, которые в каждом конкретном случае могут быть вызваны разными причинами.

Совместная деформируемость здания и основания еще больше осложняется естественной неоднородностью (т.е. зависимостью свойств от пространственных координат) и анизотропностью грунтового массива (т.е. различными физико-механическими свойствами грунта в различных направлениях), нерегулярностью самого сооружения, перераспределением контактных напряжений по подошвам разных фундаментов в результате изгиба и кручения здания, изменением жесткости здания при появлении в нем дефектов и трещин и другими факторами. При неоднородном напластовании слоев грунта на неоднородность, вызываемую напряженным состоянием от веса сооружений, накладывается неоднородность от неодинаковой деформируемости отдельных слоев грунта.

Неравномерные осадки основания и, как результат этого, деформации надземных конструкций, а соответственно и трещины в несущих стенах зданий, могут быть также вызваны следующими причинами:

- увеличением нагрузок на основание при строительстве нового здания вблизи застройки или при пристройке к существующему зданию новых зданий и сооружений, если активные зоны под их фундаментами накладываются друг на друга, вызывая дополнительные вертикальные деформации грунта основания и здания; при надстройке здания;

- недостаточно полными инженерно-геологическими изысканиями, в результате которых могут быть пропущены отдельные линзы слабых грунтов (пылеватых, илистых, торфяных), карсты и воздействие карстовых суффозионных процессов с возможным образованием провальных воронок в зоне расположения зданий и сооружений.

Концептуальная постановка задачи моделирования. Пространственная система ЗФО схематично изображена на рис. 1. Отнесем систему ЗФО к прямоугольной декартовой системе координат , начало которой совпадает с угловой точкой здания. Будем считать трехмерную сплошную среду - систему ЗФО, занимающую объем V, ограниченный поверхностью Г, состоящей из объемов элементов здания (V₁), фундамента (V₂) и грунтового основания (V₃), т.е. .

Рис. 1. Система «здание-фундамент-основание»

Предполагается идеальный контакт между элементами системы (отсутствие граничных условий контактного типа). Грунтовое основание представлено некоторой «областью влияния», внешние границы которой должны быть выбраны так, чтобы краевые эффекты на этих границах не оказывали влияния на напряженно-деформированное состояние здания. Деформации будем считать малыми.