05.23.01 – Строительные конструкции, здания и сооружения
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва – 2012 2
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет»
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Коргин Андрей Валентинович
Официальные оппоненты: Алмазов Владлен Ованесович доктор технических наук, профессор, профессор кафедры Железобетонных и каменных конструкций ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет»
Бандин Олег Леонидович кандидат технических наук, старший научный сотрудник, доцент кафедры Инженерных конструкций ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»
Ведущая организация: ОАО «НИЦ «Строительство»
Защита диссертации состоится «28» мая 2012 г. в 15 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д.212.138.04 на базе ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу:
129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д.26, ауд. 50, «Открытая сеть».
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет».
Автореферат разослан « » 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Каган Павел Борисович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследования. Как показывает опыт последних лет, происшедшие в различных регионах России и за рубежом многочисленные серьезные аварии строительных объектов сопровождаются значительными экономическими, социальными и моральными потерями, что является, в первую очередь, следствием ненадлежащего качества выполнения проектных и строительно-монтажных работ, а также нарушения условий нормативной эксплуатации сооружений.
В условиях мегаполисов дефекты и повреждения, накопленные конструкциями на различных этапах жизненного цикла, усугубляются воздействием негативных техногенных факторов, характерных для городской инфраструктуры, к которым можно отнести утечки из водонесущих коммуникаций, неравномерные воздействия на грунтовое основание в условиях стесненного строительства и др.
Наиболее эффективным способом предотвращения аварийных ситуаций, в особенности для высотных, большепролетных и других ответственных сооружений является контроль технического состояния несущих конструкций с помощью комплексных автоматизированных систем мониторинга, функционирующих в периодическом или постоянном режиме.
В ходе мониторинга объективная оценка технического состояния зданий и сооружений может быть получена только на основании результатов численных расчетов с обоснованной корректировкой расчетных моделей объектов, учитывающей изменения, произошедшие в ходе эксплуатации. Процесс регулярного уточнения расчетных моделей сооружений с учетом всех накапливающихся изменений и повреждений конструкций носит название актуализация.
Таким образом, при поверочном расчете сооружения должна использоваться адекватная его текущему техническому состоянию расчтная модель, построенная, как правило, на основе метода конечных элементов (МКЭ–модель) и актуализируемая на основании результатов инструментальных измерений. Данная модель должна с контролируемой точностью позволять оценивать фактическое техническое состояние сооружений на текущем этапе мониторинга. Однако, как показывает опыт, актуализация расчтных моделей либо не проводится, либо осуществляются вручную, что является длительным и трудоемким процессом.
Анализ современных подходов в зарубежной и отечественной практике мониторинга строительных конструкций показывает, что эффективной методики, позволяющей в реальном режиме времени, а значит, за короткий период автоматизировано проводить актуализацию расчетных моделей сооружений для оперативной численной оценки достоверного напряженно-деформированного состояния сооружений, не существует.
В целом актуальность темы диссертации определяется практической необходимостью создания обоснованной и эффективной методики автоматизированной актуализации расчтных моделей сооружений в ходе мониторинга технического состояния их несущих конструкций.
Целью диссертации является развитие и совершенствование методов расчта, оценки и диагностики технического состояния строительных конструкций и сооружений путм разработки эффективной методики актуализации расчтных моделей зданий и сооружений в ходе их мониторинга на базе создания новых и усовершенствования существующих методов и средств контроля технического состояния конструкций.
Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:
1. Разработана методика мониторинга пространственно-координатного положения конструкций с помощью лазерного сканирования для различных типов зданий и сооружений.
2. Разработана методика автоматизированного ввода данных инженерно– геологических изысканий с целью численной оценки НДС системы «основание-сооружение» в ходе мониторинга.
3. Разработана методика автоматизированной актуализации расчетных моделей зданий и сооружений с помощью программного комплекса численного конечно-элементного анализа сооружений ANSYS.
4. Проведена экспериментальная проверка и апробация результатов исследования в научно–практической деятельности.
Объектом исследования является процесс контроля технического состояния конструкций зданий и сооружений в ходе их эксплуатации.
Предметом исследования являются современные методы и средства обследования, мониторинга и диагностики технического состояния зданий и сооружений, позволяющие проводить поиск, выявление, измерение и моделирование деформаций, дефектов и повреждений конструкций с помощью современных информационных технологий сбора и обработки данных для получения достоверной информации о техническом состоянии зданий и сооружений.
Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке следующих методик:
мониторинга пространственно-координатного положения зданий и сооружений с помощью лазерного сканирования в условиях различного доступа к объекту мониторинга.
формирования условных контролируемых узлов для решения задач мониторинга пространственного деформирования удаленных и труднодоступных стержневых конструкций.
формирования компьютерной расчтной модели системы «основаниесооружение» на основе данных инженерно-геологических изысканий.
автоматизированного определения общего напряжнно-деформированного состояния (НДС) сооружений и их элементов по результатам пространственно-координатных измерений деформаций.
оперативного учета наличия дефектов и повреждений конструкций в конечно–элементной расчтной модели сооружения, обнаруженных в процессе мониторинга технического состояния.
Практическая значимость результатов исследования. Разработанная методика актуализации расчетных моделей зданий и сооружений предназначена для практической деятельности специализированных организаций, проводящих обследование, мониторинг и численное моделирование работы зданий и сооружений. Применение разработанной методики позволяет повысить качество и эффективность проведения мониторинга строительных объектов. Разработанная методика может использоваться для оценки и диагностики технического состояния зданий и сооружений различного назначения и различных конструктивных схем.
Внедрение результатов работы. Положения и результаты настоящей работы использовались в 2008-2011г.г. при мониторинге объектов г. Москвы и Московской области, в том числе здания входной группы терминала D аэропорта «Шереметьево– 3», Московской области., г. Химки, Шереметьево 2, вл. 3.
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, 2009-2011г.г.; на семинарах и заседаниях кафедры испытаний сооружений МГСУ в 2009-2011г.г.
Научные результаты работы были получены, в том числе, при выполнении Гранта Президента Российской Федерации по государственной поддержке молодых российских ученых – кандидатов наук (МК-2563.2009.8): «Разработка математических и информационных моделей конструкций, зданий и сооружений для создания интегрированной информационной технологии мониторинга технического состояния строительных объектов в условиях мегаполисов».
В результате выполнения диссертационной работы автором разработана и зарегистрирована «Программа для автоматизированного учета трещиноподобного дефекта в двутавровых балках с последующим расчетом коэффициентов интенсивности напряжений и J–интеграла» (свидетельство о государственной регистрации №2011619254).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, из них 5 статей, опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК, 3 статьи в сборниках трудов международных и всероссийских научно–практических и научно–технических конференций, 1 статья в специализированной научно-технической периодике.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка из наименований, приложений и содержит 191 страниц машинописного текста, рисунка, 8 таблиц и 8 графиков.
На защиту выносятся наиболее существенные результаты исследований, имеющие научную и практическую значимость:
Основные положения разработанной методики актуализации расчтных моделей сооружений в ходе их мониторинга.
Принципы организации процесса сбора, анализа и учета данных мониторинга.
Алгоритмы программной реализации задач, решаемых в ходе применения разработанной методики.
Экспериментальная проверка и апробация разработанной методики и результатов теоретических положений диссертационной работы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение диссертации раскрывает актуальность темы работы, определяет объект, предмет, научную новизну и практическую значимость работы.
В первой главе диссертации проведен анализ нормативной литературы в области мониторинга, обзор существующих отечественных и зарубежных методик мониторинга и обследования несущих конструкций зданий и сооружений с использованием современной аппаратуры, динамических и геодезических методов, анализ возможности применения отечественных и зарубежных программных МКЭкомплексов для решения задач актуализации расчетных моделей сооружений в ходе мониторинга.
Современные здания и сооружения являются сложными системами, состоящими из большого количества конструктивных элементов, техническое состояние каждого из которых непосредственно влияет на безопасность, прочность и устойчивость всего сооружения в целом.
Как показывает опыт, одной их основных причин возникновения аварийных ситуаций на объектах различного назначения являются дефекты и повреждения конструкций, накопленные конструкциями в ходе строительства и эксплуатации.
К наиболее распространенным причинам повреждаемости конструкций следует отнести неравномерные осадки грунтового основания или превышения эксплуатационных нагрузок, и как результат нарушение нормального функционирования компонентов системы «основание-сооружение». Результатом различного рода деформационных воздействий являются трещины и сколы в растянутых и сжатых зонах поврежденных конструкций, недопустимые прогибы элементов и перемещения узлов, и как следствие изменение их напряженнодеформированного состояния.
В нормативно–технических документах в области мониторинга, разработанных в период с 2005г., особое внимание уделяется необходимости получения объективной информации о напряженно–деформированном состоянии (НДС) конструкций и сооружений с использованием актуализируемых расчтных моделей.
Данные модели должны учитывать совместную работу системы «основаниесооружение», а также дефекты и повреждения, накопленные элементами конструкций к моменту начала работ по мониторингу и зафиксированные в ходе дальнейшего инструментального и визуального контроля.
Проверочный расчет с использованием адекватной расчтной модели позволяет выявить фактическое напряженно-деформированное состояние сооружения, что дает возможность принимать обоснованные решения о продолжении нормальной эксплуатации или принятию мер по устранению повреждений, что в целом качественно повышает безопасность и надежность сооружения. Однако, на сегодняшний день, не существует единой методики, рекомендованной нормативными документами, позволяющей проводить адаптацию расчетных моделей сооружений к фактическим условиям эксплуатации и их реальному техническому состоянию.
Вопросами адекватной автоматизированной оценки реального технического состояния конструкций с корректировкой расчетных моделей посвящены работы Коргина А.В., Левина В.А., Морозова Е.М., Муйземнека А.Ю., Шадского А.С., Фрисвелла М., Хофслеттера Г. и др.
Основными этапами формирования методики актуализации расчтных МКЭмоделей сооружений, разрабатываемой в настоящей работе, являются:
систематизация методов и средств сбора информации о техническом состоянии конструкций;
адаптация и усовершенствование существующих методов сбора информации о техническом состоянии конструкций;
адаптация и разработка программно-алгоритмических средств учета выявленных отклонений в расчетной схеме сооружения.
В ходе актуализации МКЭ-моделей сооружений должны быть учтены следующие параметры:
изменение расчетной схемы сооружения;
изменения величин и характера приложения нагрузок отклонения геометрических параметров конструкций от проектных фактические физико–механические свойства конструкционных материалов и грунтов основания;
локальные дефекты и повреждения несущих конструкций (трещины, износ).
Основная информация о реальном техническом состоянии конструкций сооружения собирается на подготовительном этапе мониторинга и отражается в расчетной модели, сформированной по проектной документации. Затем на дальнейших этапах с установленной периодичностью в модель вносятся изменения и отклонения, характеризующие фактическое состояние конструкций.
С помощью визуального контроля и измерительных средств происходит оценка соответствия реальной расчетной схемы несущих элементов и конструктивных узлов проектной документации. Также проверяется соответствие существующих эксплуатационных нагрузок их расчетным и нормативным значениям.
На сегодняшний день высокий уровень развития приборной геодезической базы и неразрушающих методов контроля позволяет эффективно решать задачи сбора информации о техническом состоянии конструкций.
Геометрические параметры несущих конструкций в отдельности и сооружения в целом, а также их отклонения могут быть определены с помощью традиционных автоматизированных геодезических методов, а также с помощью быстро развивающейся в последнее время технологии лазерного сканирования. Выбор методов и средств проведения геодезических измерений зависит от габаритов объекта мониторинга и возможностей доступа к его несущим конструкциям.
Основным критерием оценки процесса деформации конструкций служит определение изменения пространственного положения их характерных узлов.
Традиционно контроль деформаций проводится с помощью геометрического нивелирования и тахеометрической съемки, что в целом дает качественную информацию об осадочных процессах сооружения, однако в ряде случаев у таких методов имеются значительные недостатки. Применение геометрического нивелирования позволяет определить только вертикальные осадки, что не дает реальной картины пространственного деформирования всего объекта.
Использование электронных тахеометров решает данную задачу, позволяя получать пространственные перемещения объектов, однако при проведении мониторинга сложных, прежде всего высотных или большепролетных сооружений, для получения полноценных данных необходимо проведение значительного объема подготовительных работ по установке контролируемых геодезических марок.
Более современное и производительное оборудование - наземные лазерные сканирующие системы, позволяют при определенных условиях получать пространственные координаты точек с точностью, сопоставимой с результатами измерений с помощью электронных тахеометров. Необходимо отметить, что на сегодняшний день проработанной методики мониторинга деформаций сооружений с помощью лазерного сканирования не существует.
В ходе эксплуатации сооружений некоторые физико–механические свойства конструкционных материалов претерпевают изменения, или их фактические значения в результате нарушений, допущенных в ходе строительства, не соответствуют проектным величинам. Актуализация МКЭ-модели в данном случае должна осуществляться в основном по результатам неразрушающих (механических и ультразвуковых) и реже – по результатам разрушающих испытаний материалов (отбор образцов и лабораторные испытания.
Учет локальных дефектов несущих конструкций (трещины, износ, повреждения) в ходе актуализации МКЭ–модели осуществляется также с помощью современных методов неразрушающего контроля (магнитная дефектоскопия, ультразвуковая томография и т.д.).
Важным компонентом методики актуализации расчтной модели является моделирование грунтов основания сооружения и учет их совместной работы.
Современные методы и средства инженерной геологии позволяют получать наиболее полные данные о свойствах грунтов оснований, карстовых пустотах, разуплотнениях и т.д.
В существующих нормативных документах требования к оценке фактического НДС конструкций ограничиваются лишь использованием актуализируемых МКЭмоделей без конкретизации требований к программным конечно-элементным комплексам. Данный факт определил необходимость проведения сравнительного анализа современных расчетных комплексов с целью выявления среди таких программ как Лира, SCAD, Robot Millennium, ANSYS, Femap, Patran, Nastran и ABAQUS наиболее подходящего для решения задач, поставленных в данной диссертации.
Программный комплекс ANSYS включает полный набор конечных элементов, реализующих линейные и нелинейные модели поведения материалов, а также широкий набор программных модулей решения алгебраических задач при численном расчте строительных объектов. Необходимым для реализации разработанной методики является наличие в комплексе ANSYS встроенного параметрического языка программирования APDL, обладающего возможностями создания сценариев для выполнения расчтов, автоматизации процессов или доступа к дополнительным функциям и настройкам решателя. Данные функции позволяют не только повысить эффективность работы с программой, но и решать самые разнообразные сложные задачи.
Решение задач актуализации расчетных моделей в ANSYS осуществляется с помощью последовательных наборов команд (макросов), позволяющих формировать алгоритмы решения сложных комплексных инженерных задач в автоматизированном режиме (автоматически создавать параметризованную расчтную модель и оперативно встраивать ее в существующую МКЭ–модель).
Во второй главе разработана методика применения лазерного сканирования для контроля пространственного деформирования сооружений, в том числе в условиях ограниченного доступа к конструкциям.
Основным преимуществом использования лазерного сканирования для решения задач пространственно-координатного мониторинга перед традиционными автоматизированными геодезическими методами, является значительный объем получаемых данных при точности измерений, сопоставимой с точностью измерения тахеометрами по II классу. Точность измерений лазерных сканеров лежит в диапазоне от 1мм до 10мм на расстояниях до 1000м. Производительность работы сканера составляет до 100 000 измерений в секунду. Первичным результатом является трехмерное облако точек, преобразуемое впоследствии с помощью специального программного обеспечения в электронную пространственную модель объекта, на основании которой определяются перемещения, и оценивается деформационное состояние сооружения по сравнению с предыдущим этапом измерений.
В рамках разработки методики мониторинга с помощью наземных лазерных сканирующих систем с учетом особенности проведения длительных геодезических измерений были проработаны следующие вопросы:
создание различных схем мониторинга, определяющих принцип проведения измерений в зависимости от доступа к сооружению и наличия опорных объектов по периметру сооружения;
формирование принципов размещения и установки пунктов опорной сети и деформационных марок;
разработка рекомендаций по проведению процесса сканирования в ходе описание процесса обработки результатов сканирования с помощью трехмерной цифровой модели объекта или его элементов.
При стандартном подходе проведение качественного мониторинга пространственного деформирования сооружений с помощью лазерного сканирования требует установки большого количества специальных деформационных марок, аналогично процессу измерений при тахеометрической съемке с привлечением промышленных альпинистов. В случае мониторинга уникальных крупногабаритных, большепролетных объектов такие работы требуют существенных дополнительных временных и финансовых затрат.
«