автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Автоматизация формирования и коррекции расчетных моделей при мониторинге технического состояния зданий и сооружений

На правах рукописи

00ьи*|—

Ермаков Валентин Алексеевич

АВТОМАТИЗАЦИЯ ФОРМИРОВАНИЯ И КОРРЕКЦИИ РАСЧЕТНЫХ МОДЕЛЕЙ ПРИ МОНИТОРИНГЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Специальность:

05.13.12 — Системы автоматизации проектирования (строительство)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 О ЛЕН 2012

Москва-.2012

005047626

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВГГО «МГСУ»).

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Коргин Андрей Валентинович

Официальные оппоненты:

Павлов Александр Сергеевич, доктор технических наук, профессор, Общество с ограниченной ответственностью (ООО) «ЭнергоФихтнер», начальник отдела консалтинга

Латышев Григорий Владимирович, кандидат технических наук, Общество с ограниченной ответственностью (ООО) «Научно-технический и конструкторско-технологический центр СтройГруппАвтоматика», генеральный директор

Ведущая организация:

Открытое акционерное общество (ОАО) «Моспроект».

Защита состоится 20 декабря 2012 года в 16.00 на заседании диссертационного совета Д212.138.01 на базе ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, «Открытая сеть образования в строительстве», ауд. №9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет».

Автореферат разослан 19 ноября 2012 года.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. В настоящее время в России и за рубежом наблюдается рост числа аварий ответственных и уникальных сооружений, сопровождающихся 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.

Наиболее эффективным путем снижения риска возникновения аварий сооружений и происшедших в их результате потерь является устройство системы мониторинга технического состояния несущих конструкций, функционирующей в автоматическом или периодическом режиме и позволяющей своевременно сигнализировать о выходе сооружения за пределы нормативного состояния, осуществить необходимые мероприятия по обеспечению безопасности людей и сохранению материальных ценностей.

В настоящее время система мониторинга на нормативном уровне стала неотъемлемой компонентой любого ответственного и уникального объекта и входит в число проектируемых в обязательном порядке инженерных систем строительного сооружения. Контроль обязательности разработки проекта таких систем возложен на Министерство Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий (МЧС РФ). Однако значительное число построенных в относительно недавнее время ответственных сооружений до настоящего момента по разным причинам не имеют эффективных систем мониторинга, и их приходится проектировать и создавать уже в процессе эксплуатации сооружения.

На современном этапе проектирование системы мониторинга в обязательном порядке производится на основе расчетной модели сооружения, позволяющей выявить характер возникновения аварийных ситуаций, наиболее нагруженные элементы несущих конструкций и опасные зоны, которые необходимо контролировать, а также установить предельные значения параметров контроля, типы, количество и параметры измерительной и регистрирующей аппаратуры. Такое моделирование в соответствии с терминологией МЧС носит официальное название «Научное сопровождение проектирования систем мониторинга».

Для проектируемого сооружения для этой цели, как правило, используется исходная расчетная (как правило, конечно-элементная) модель, созданная в ходе проектирования сооружения для расчета его прочности и несущей способности. Однако для существующего и эксплуатируемого сооружения такая модель в силу отклонений, допущенных в ходе строительства и изменений и повреждений, накопленным в ходе эксплуатации, уже не является адекватной фактическому состоянию сооружения и требует коррекции, или может вообще отсутствовать.

По этим причинам для проектирования надежной и эффективной системы мониторинга существующего сооружения приходится проводить детальное инженерное обследование с целью выявления вышеуказанных изменений и создания расчетной модели сооружения, адекватной его фактическому состоянию. При классическом ручном формировании или актуализации расчетной модели это достаточно длительный, трудоемкий и затратный процесс, эффективность которого может быть значительно улучшена за счет средств автоматизации.

Анализ современных подходов в зарубежной и отечественной практике проектирования систем мониторинга несущих конструкций ответственных строительных объектов показывает, что эффективной методики, позволяющей в режиме реального времени, а значит, за короткий период проводить в автоматизированном режиме формирование и коррекцию расчетных моделей существующих сооружений на основе данных инженерного обследования и мониторинга отсутствует.

В дальнейшем на этапе эксплуатации сооружения подобная методика должна использоваться для регулярной коррекции текущей модели сооружения и объективной оценки фактического напряженно-деформированного состояния несущих конструкций и принятия решений по разработке проекта усиления конструкций для обеспечения нормативного технического состояния сооружения.

Таким образом, актуальность темы диссертации определяется практической необходимостью создания обоснованной и эффективной методики автоматизированного формирования и коррекции расчетных моделей существующих сооружений для проектирования и эксплуатации надежных систем мониторинга технического состояния несущих конструкций.

Цель диссертации: построение комплексного подхода к автоматизации формирования и коррекции расчетных моделей при мониторинге технического состояния зданий и сооружений.

Научно-техническая гипотеза состоит в предположении возможности повышения эффективности анализа технического состояния зданий и сооружений на основе автоматизации формирования и коррекции расчетных моделей при мониторинге их технического состояния.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:

1. Проведен анализ систем мониторинга технического состояния зданий и сооружений.

2. Проведен анализ объектов и процессов автоматизации формирования и коррекции расчетных моделей при мониторинге технического состояния зданий и сооружений.

3. Разработана методика автоматизации формирования и коррекции расчетных моделей при мониторинге технического состояния зданий и сооружений

4. Разработан метод автоматизированного ввода данных мониторинга в расчетную модель.

5. Разработан метод аппроксимирующих линий и условных узлов в неполных моделях при сканировании стержневых конструкций для автоматизации моделирования.

6. Проведена экспериментальная проверка и апробация результатов исследования в научно-практической деятельности.

7. Сформулированы перспективные направления дальнейших исследований.

Объектом исследования являются системы мониторинга технического

состояния зданий и сооружений.

Предметом исследования являются объекты и процессы автоматизации формирования и коррекции расчетных моделей при мониторинге технического состояния зданий и сооружений.

Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке:

1) методики автоматизации формирования и коррекции расчетных моделей при мониторинге технического состояния зданий и сооружений;

2) метода автоматизированного ввода данных мониторинга в расчетную модель;

3) метода аппроксимирующих линий и условных узлов в неполных моделях при сканировании стержневых конструкций для автоматизации моделирования.

Практическая значимость результатов исследования. Разработанная методика формирования и коррекции расчетных моделей зданий и сооружений предназначена для практической деятельности специализированных организаций, проектирующих и использующих системы мониторинга, осуществляющих обследование, периодический мониторинг и численное моделирование работы зданий и сооружений. Применение разработанной методики позволяет повысить качество и эффективность проектирования и эксплуатации систем мониторинга существующих строительных объектов.

Внедрение результатов работы. Положения и результаты настоящей работы использовались в 2008-2011 гг. при мониторинге объектов г. Москвы и Московской области, в том числе здания входной группы терминала Б 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, 2009-2011 гг.; на семинарах и заседаниях кафедр испытания сооружений и информационных систем, технологий и автоматизации в строительстве ФГБОУ ВПО «МГСУ» в 2009-2012 гг.

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 .Г-интеграла» (свидетельство о государственной регистрации №2011619254).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, из них 6 статей, опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и результатов, библиографического списка.

Содержание диссертации соответствует пп. 1, 3, 6 паспорта специальности 05.13.12 — Системы автоматизации проектирования (строительство).

На защиту выносятся:

• положения, составляющие научную новизну диссертации;

• экспериментальная проверка и апробация разработанной методики и результатов теоретических положений диссертации.

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 методик мониторинга и обследования несущих конструкций зданий и сооружений с использованием современной аппаратуры, анализ возможности применения отечественных и зарубежных программных расчетных комплексов для решения задач формирования и коррекции расчетных моделей сооружений в ходе мониторинга. Рассмотрены научно-технические гипотезы.

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 напряженно-деформированного состояния.

В нормативно-технических документах в области мониторинга, разработанных в период с 2005 г., особое внимание уделяется необходимости создания систем мониторинга, проектируемых на основе анализа адекватной текущему техническому состоянию сооружения расчетной модели, позволяющей получить объективную информацию о напряженно-деформированном состоянии (НДС) элементов несущих конструкций, установить состав, параметры и критерии функционирования проектируемой системы мониторинга. Данная модель должна учитывать совместную работу системы «основание — сооружение», а также дефекты и повреждения, накопленные элементами конструкций к моменту начала работ по проектированию и появляющиеся в ходе эксплуатации.

Проверочный расчет с использованием адекватной расчётной модели позволяет выявить фактическое напряженно-деформированное состояние сооружения, что дает возможность проектировать эффективную систему мониторинга существующих зданий и сооружений, 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

автоматизированное формирование и коррекцию расчетных моделей сооружений адекватных фактическим условиям эксплуатации и реальному техническому состоянию несущих конструкций.

Вопросами адекватной оценки реального технического состояния конструкций с корректировкой конечно-элементных расчетных моделей посвящены работы Коргина A.B., Кудишина Ю.И., Акимова П.А., Андреева В.И., Вайнштейна М.С., Трушина С.И., Левина В.А., Морозова Е.М., Муйземнека А.Ю., Шадского A.C., Фрисвелла М., Хофслеттера Г. и др.

Основными этапами разработки методики автоматизированного формирования и коррекции расчетных моделей зданий и сооружений являются:

• систематизация методов и средств создания систем мониторинга и сбора информации о техническом состоянии зданий и сооружений;

• адаптация и усовершенствование существующих методов сбора информации о техническом состоянии конструкций;

• адаптация и разработка программно-алгоритмических средств учета выявленных отклонений в расчетной схеме сооружения.

Предлагается производить коррекцию модели с учетом параметров повышающих эффективность анализа технического состояния зданий и сооружений:

• изменение расчетной схемы сооружения;

• изменения величин и характера приложения нагрузок;

• отклонения геометрических параметров конструкций от проектных значений;

• 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 в ходе инженерного обследования и отражается в расчетной модели, сформированной по проектной документации. Затем на дальнейших этапах мониторинга 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.

Традиционно пространственно-координатный мониторинг технического состояния сооружений путем сканирования лазерными системами сводится к выявлению деформаций замаркированных точек. Более рационально измерять смещения в условных (виртуальных) характерных точках, например в точках пересечения стержней пространственной конструкции. Можно также предположить, что смещения математически смоделированных точек является следствием деформаций реальных элементов конструкций. В облаке точек, получаемом с помощью системы, каждый элемент представляется отдельным геометрическим местом точек, соответствующих данному элементу. В стержневых конструкциях точки пересечения стержней могут находиться как на элементах, так и за пределами материальных элементов конструкций. Поскольку мониторинг есть результат последовательной обработки нескольких измерений традиционно предлагается маркировать узловые точки световозвращающими оптическими элементами (призмами и пленками).

В предлагаемом методе узловые точки локализируются в пространстве как равноудаленные точки от аппроксимирующих линий описывающих реальное положение стержня в пространстве. При анализе существующих методов мониторинга не обнаружено методик и программ, позволяющих производить поиск этой точки. В данной работе описывается математический и программный метод поиска таких точек.

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. Коррекция расчетной 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 коррекции расчетной модели осуществляется также с помощью современных методов неразрушающего контроля (магнитная дефектоскопия, ультразвуковая томография и т.д.).

Важным компонентом методики автоматизированного формирования и коррекции расчётной 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.

Во второй главе разработана методика автоматизированного формирования и коррекции расчетных моделей при мониторинге технического состояния зданий и сооружений, а также представлены методы автоматизированного ввода данных мониторинга в расчетную модель.

Автоматизированное формирование и коррекция расчетных моделей при мониторинге технического состояния зданий и сооружений должно осуществляться оригинальным блоком в составе проектной среды системы автоматизированного проектирования.

Предложенная методика выполняет функцию информационного обеспечения проектирования систем мониторинга, так как автоматизировано дополняет её данными о реальном техническом состоянии зданий и сооружений и определяет обоснованный выбор проектных параметров системы мониторинга.

Метод автоматизированного построения аппроксимирующих линий и условных узлов в неполных моделях при сканировании стержневых конструкций непосредственно влияет на формирование адекватной расчетной модели в общей системе, что повышает эффективность работ по оценке технического состояния зданий и сооружений.

Автоматизация ввода данных мониторинга позволяет повысить надежность системы мониторинга сооружений, проводить ее корректировку, а также дает возможность прогнозировать дальнейшее поведение несущих конструкций.

На начальном этапе мониторинга проводится комплексное обследование технического состояния конструкций сооружений, целью которого является определение дефектов и повреждений, отклонений физико-механических свойств и геометрических параметров от проектной документации с целью дальнейшего использования их в процессе коррекции исходной расчетной модели.

Традиционно коррекция расчетных моделей проводится вручную и является достаточно трудоемким процессом. В данной главе диссертации уделено внимание структурированию и систематизации параметров коррекции, а также подробному описанию процесса учета реальных условий эксплуатации, нагрузок и физико-механических свойств конструкционных материалов в расчетной модели сооружения.

Разработанная методика автоматизированного формирования и коррекции предлагает автоматизировано учитывать в расчетах совместную работу системы «основание - сооружение», влияние трещин на напряженно-деформированное состояние конструкции, а также проводить оперативное изменение расчетной схемы сооружения, нагрузок и физико-механических свойств конструкционных материалов.

Целью разработанной методики являлось построение комплексного подхода к автоматизации и коррекции расчетных моделей при мониторинге технического состояния зданий и сооружений. Основные параметры, по которым производится коррекция расчетной модели:

• автоматизированное создание модели грунтового основания по результатам геологических исследований;

• учет изменений нагрузок, расчетной схемы и физико-механических свойств конструкционных материалов;

• учет изменений пространственной геометрии несущих конструкций и появление их отклонений от проектной документации;

• учет местных дефектов несущих конструкций (трещины износ повреждения). '

Метод автоматизированного ввода данных мониторинга в расчетную модель объекта описывает процедуры учета в расчетах совместной работы системы «основание - сооружение», учета влияния трещин на напряженно-деформированное состояние конструкции, а также проведения оперативных изменений расчетной

схемы сооружения, нагрузок и физико-механических свойств конструкционных материалов.

Для расчета пространственных систем «основание - сооружение» предлагается пространственная задача, когда весь массив грунтового основания автоматизировано моделируется объемными конечными элементами тетраэдрической формы. Это позволяет лучше учитывать все факторы, меняющиеся по всему объему основания, при этом трудозатраты снижаются за счет автоматизированного ввода исходных данных.

Данные о составе и физико-механических свойствах грунта анализируются по результатам полноценного инженерно-геологического обследования, проводимого на начальном (подготовительном) этапе мониторинга. В случае однородного состава, простой конфигурации слоев грунта и отсутствии карстовых пустот моделирование грунтового основания не представляет большой сложности. Однако при сложном пространственном залегании и значительном разбросе физико-механических свойств слоев грунтового основания моделирование, осуществляемое в расчетных конечно-элементных комплексах, может вызывать значительные временные затраты.

Для решения данной проблемы были разработаны подпрограммы, позволяющие в автоматизированном режиме создавать сложную геометрию грунтового основания.

В ходе работы подпрограммы автоматически считывают исходный текстовый файл, в котором представлены данные о вертикальной и горизонтальной привязке слоев грунта по координатам в соответствии с расположением геологических глубинных скважин, в результате чего на чертеже появляются составные разноцветные линии, каждый цвет которых отвечает за определенный тип грунта и его толщину.

Далее, автоматически создаются объемы сложной пространственной конфигурации в соответствии с цветовой идентификацией смежных отрезков, формирующих вертикальные линии, после чего происходит автоматическое объединение объемов с данными инженерно-геологических изысканий в единые массивы (рис. 1).

{й : I

т! 111

| * Ц | I

' I 1

Рис. 1. Процесс формирования пространственной конфигурации модели грунтового основания

в среде чертежа

После импорта данных в расчетный комплекс всем слоям грунтового основания присваиваются соответствующие физические свойства.

С целью автоматизированного учета дефектов, возникающих в несущих конструкциях сооружений в ходе их эксплуатации, разработан ряд управляющих макросов:

• макрос ввода поперечной трещины в сечение металлического двутаврового стержня;

• макрос ввода пространственной трещины в железобетонный массив.

Для оперативного учета дефекта в расчетной модели сооружения необходимо ввести номер конечного элемента и параметры дефекта в контекстное меню соответствующего макроса, в результате чего автоматически создается объем с трещиной с учетом начальных геометрических и физических параметров стержня.

Далее программа разбивает объем на специальные конечные элементы и обрабатывает сетку элементов вблизи вершины трещины для возможности оценки коэффициента интенсивности напряжений и .1-интеграпа (рис. 2а).

В результате работы управляющего макроса оценка напряженно-деформированного состояния расчетной модели сооружения с элементом, содержащим трещину, осуществляется с учетом степени опасности данного дефекта для эксплуатационной безопасности объекта на основании анализа таких параметров, как коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины, значение .Г-интеграла и т.д.

В ходе работы макроса учета трещины в железобетонном элементе необходимо указать три узла в плоскости оболочки, которые определяют габариты расположения дефекта, и ввести параметры пространственного дефекта в контекстное меню. Макрос автоматически создает объем с трещиной в указанном элементе, разбивает его на конечные элементы, производит связку узлов объемных элементов с узлами оболочечных элементов и пересчитывает расчетную модель (рис. 26).

В результате управляющий макрос позволяет оперативно оценить влияние дефекта на НДС поврежденной конструкции и всего сооружения в целом, а также дает базу для дальнейшего моделирования арматуры.

Автоматизированное формирование и коррекция расчетных моделей сооружений данными геодезических измерений в ходе мониторинга для оценки влияния неравномерных осадок основания на НДС конструкций осуществляется с использованием пространственно-координатных моделей сооружений, в соответствии с методикой, разработанной М.А. Коргиной. При этом зафиксированные перемещения контролируемых узлов ПК-модели сооружения в качестве нагрузок («наложенных» перемещений) прикладываются в ручном режиме

а)

б)

Рис. 2. Результаты работы макросов: а) —учета трещины в двутавровом металлическом элементе б) -учета трещины в перекрытии монолитного здания

в соответствующие узлы расчетной модели и интерполируются в основные узлы каркаса.

В качестве усовершенствования данной методики и более оперативной оценки НДС разработан управляющий макрос, который позволяет автоматически считывать исходный файл, сформированный по результатам обработки и уравнивания геодезических измерений и содержащий номера контролируемых узлов с соответствующими пространственными перемещениями. На основании данного файла производится дальнейшая интерполяция полученных данных в основные узлы каркаса расчетной модели (рис. 3).

В качестве критериев адекватности расчетной модели в разработанном методе используются данные инструментальных измерений, получаемые в ходе мониторинга и сопоставляемые с результатами конечно-элементного расчета:

• значения собственных частот колебаний конструкций;

• пространственная геометрия сооружения;

• величины пространственных перемещений контролируемых узлов при действии изменяющихся во времени температурных, снеговых и ветровых воздействиях.

В третьей главе разработан метод автоматизированного построения аппроксимирующих линий и условных узлов в неполных моделях при сканировании стержневых конструкций.

Основным преимуществом использования лазерного сканирования для решения задач пространственно-координатных измерений и 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 деформированное состояние сооружения по сравнению с предыдущим этапом измерений.

» а

А I

Рис. 3. ПК-модель условного металлического каркаса и расчетная модель с «наложенными» перемещениями

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 измерении 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 мониторинга;

• 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.

Метод автоматизированного построения аппроксимирующих линий и условных узлов в неполных моделях при сканировании стержневых конструкций делает возможным решение следующих задач:

• минимизация количества световозвращающих марок для снижения трудоемкости и стоимости работ;

• минимизация количества станций съемки для повышения точности измерений;

• измерение и мониторинг пространственного положения узлов стержневых конструкций при съемке с фиксированных станций, в том числе при неполном объеме полученных данных, описывающих геометрию элемента;

• упрощение и оптимизация процесса построения пространственно-координатной модели и расчетной модели сооружения для дальнейшего математического моделирования напряженно-деформированного состояния.

Для решения поставленных задач было разработано несколько подпрограмм позволяющих проводить обработку неполного облака точек, полученного в ходе мониторинга стержневых пространственных конструкций без установки специальных деформационных марок на контролируемые узлы конструкций.

В большинстве случаев при сканировании удаленных объектов, расположенных на большой высоте, получение полного облака точек, характеризующего всю геометрию сечения или элемента, зачастую невозможно. Сканирование в такой ситуации производится с нескольких позиций снизу и охватывает нижнюю и частично боковую поверхность конструкции (рис. 4). В результате оценка происходящих в ходе обмера и мониторинга положения конструкций изменений на основе таких данных является затруднительной.

Сечение двутавра

Рис. 4.

Пример получения ограниченного облака точек, описывающего сечение двутавровой балки и трубы при удаленном сканировании

С целью преодоления указанных затруднений в разрабатываемой методике предлагается использовать так называемые аппроксимирующие линии, проходящие через условный центр тяжести 3D облаков точек, формирующих сечения стержней в условиях неполных данных. Аппроксимирующие линии в пространстве не пересекаются в одной точке. При идентичном объеме точечных данных аппроксимирующие линии смежных стрежней позволяют получить «условный» пространственный узел, характеризующий положение конструкции на различных этапах мониторинга.

Необходимыми условиями получения идентичных данных являются следующие условия проведения измерений:

1) сканирование производится с одних и тех же фиксированных позиций для обеспечения возможности получения идентичного облака точек;

2) разрешающая способность сканирования одних и тех же конструкций должна быть одинакова на каждом этапе мониторинга.

Метод можно разделить на следующие этапы:

• предварительная обработка облака точек в ПО лазерного сканера, включающая в себя удаление шума и массива точек, не относящихся непосредственно к контролируемым конструкциям;

• импорт облака точек в среду чертежа;

• создание аппроксимирующих линий, представляющих пространственное положение стержневых конструкций с помощью подпрограммы FitLine;

• создание «условных» контролируемых узлов и экспорт их пространственных координат в отчетный файл с помощью подпрограммы Nodes;

• контроль пространственного деформирования конструкций путем сравнения координат «условных» контролируемых узлов, полученных в разных циклах.

Подпрограмма FitLine разработана с целью создания аппроксимирующей линии. В основу подпрограммы FitLine был принят алгоритм подбора усредняющей линии для определённого массива точек.

Исходными данными для работы алгоритма служит облако точек, каждая из которых имеет координаты Xj, yif z|. Искомая линия может быть определена точкой (х0, у0, z0), находящейся на данной линии, и направляющими косинусами (а, Ь, с).

Математический алгоритм состоит из следующих этапов:

На первом шаге определяются средние значения координат точек, то есть координаты центра масс облака точек.

X = 2~;y=2]~;z = У —, где n - количество точек. (])

п ' n n v '

Далее формируется матрица А, которая описывает смещенный в центр массив точек, где первый столбец ЭТО Xj — X, второй У! — у и третий Zj — Z

- X Уа - у Zj. - z\ Х2 - X у2 - у Z2 - z |

W - X yn - у zn - z/

Система линейных уравнений, коэффициенты которой описаны матрицей А, решается сингулярным разложением. Выбирается самое малое сингулярное число и соответствующий ему сингулярный вектор, компоненты которого являются направляющими косинусами (а, Ь, с).

В результате работы подпрограммы FitLine в чертеже осуществляется автоматическое построение аппроксимирующей линии.

После выполнения подпрограммы FitLine для всех стержней конструкции в работу включается подпрограмма Nodes, целью которой является создание точки, характеризующей условный узел пространственной конструкции. В ходе работы подпрограммы пользователь выбирает несколько аппроксимирующих линий, соответствующих стержням, формирующим реальный узел конструкции. Встроенный алгоритм с помощью метода наименьших квадратов определяет координаты условного узла, расположенного на минимальном расстоянии от всех аппроксимирующих линий и автоматически записывает их в отчетный файл для дальнейшего вычисления смещений в последующих циклах измерений.

Рис. 5.

Создание аппроксимирующих линий и условных узлов на примере фрагмента пространственного каркаса

Таким образом, использование технологии лазерного сканирования позволяет оперативно получать данные о геометрических параметрах конструкций, а также пространственные перемещения характерных точек. Стоит отметить, что разработанная подпрограмма РМЛпе может быть использована как для создания пространственно-координатных (ПК) и расчетных моделей сооружения в ходе инженерного обследования при отсутствии обмерных чертежей объекта, так и в ходе мониторинга пространственного деформирования стержневых объектов.

Достоверность данных, полученных в ходе геодезических измерений, оценивается с помощью количественных методов статистической обработки результатов измерений, которая проводилась на основе случайного распределения параметров измерений в соответствии с нормальным распределением Гаусса.

Четвертая глава диссертации посвящена вопросам экспериментальной проверки и апробации разработанной методики автоматизированного формирования и коррекции расчетных моделей сооружений.

Экспериментальная апробация разрабатываемой методики

автоматизированного формирования и коррекции расчетной модели осуществлялась в ходе создания и эксплуатации системы мониторинга технического состояния несущих конструкций арочного навеса входной группы Терминала О аэропорта «Шереметьево-3», расположенного по адресу Московская Область, г. Химки, Шереметьево 2, владение 3 в период с февраля 2010 года по декабрь 2011 года. Арочный навес имеет сложную пространственную конфигурацию, в основе которой лежат 2 основные (пролет 88 м) и 2 вспомогательные арки (пролет 42 м). Опорами арки служат лифтовые шахты гаража-стоянки и Терминала-3, а также промежуточные ж/б колонны.

В ходе мониторинга объекта проводилась визуальная оценка технического состояния несущих конструкций, контроль пространственных перемещений массива характерных точек сооружения, определение дефектов и повреждений конструкций, а также причин их возникновения.

Для определения пространственных перемещений характерных узлов применялась технология пространственно-координатной тахеометрической съемки, для контроля адекватности расчетной модели реальному геометрическому состоянию применялась технология лазерного сканирования.

, -V? J У. .

Wf'

Рис. 6. ПК-модель сооружения Рис. 7. Расчетная модель

а) тахеометрическая б) лазерное сканирование сооружения

съемка (43 точки) (3 792 711 точек)

Рабочая версия расчетной модели включает в себя 20155 элементов и 17416 узлов.

В летний период на объекте была апробирована усовершенствованная методика мониторинга с помощью лазерного сканирования для определения пространственного положения условных узлов открытых стержневых конструкций арочного навеса. Для работы использовался наземный лазерный сканер Riegl 390i. Расстояние прохождения лазерного пучка до конструкций ферм в среднем составило 65 метров при разрешении по углу 0,0170. Сканирование проводилось с двух стационарных тумб.

В ходе работы подпрограмм FitLine и Nodes были получены аппроксимирующие линии и условные узлы открытых частей линзообразных ферм арочного навеса (рис. 8).

Рис. 8. Линзообразная ферма арочного навеса с указанием условных узлов (№1-№4)

Анализ точности измерений проводился по результатам 5 этапов съемки, в результате чего было установлено, что разработанный метод для данного объекта при фиксированных расстояниях измерений может быть использован для мониторинга пространственного положения характерных узлов конструкций по 3 классу точности. Суммарный вектор погрешностей измерений на расстоянии 80 м составил ±6,3 мм.

Также в ходе работ был апробирован управляющий макрос учета условной трещины в металлической балке (рис. 9) и проведен анализ ее влияния на НДС конструкций арочного навеса, расположенных вблизи данного элемента.

Рис. 9. Сетка конечных элементов в зоне Рис. 10. Изополя напряжений в элементе с концентрации напряжений трещиной

По результатам анализа полученных данных установлено, что наличие условной трещины в двутавровом элементе арочного навеса вызвало изменение НДС соседних элементов в пределах от 0.05% до 9%.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Система мониторинга технического состояния ответственных зданий и сооружений должна создаваться на основании анализа напряженно-деформированного состояния несущих конструкций, проводимого на основании оперативно и автоматизировано формируемой и корректируемой расчётной модели, которая отражает фактическое техническое состояние сооружения и изменения расчетной схемы, действующих внешних нагрузок, физико-механических характеристик материалов, учитывает накопленные дефекты, повреждения и пространственные перемещения, которые претерпело сооружение в ходе эксплуатации.

2. Проведенный в диссертации анализ теории и практики численной оценки и диагностики технического состояния строительных конструкций зданий и сооружений с учетом реальных условий эксплуатации показал отсутствие эффективной методики автоматизированного формирования новых и коррекции существующих расчетных моделей объектов мониторинга с помощью современных информационных технологий для проектирования надежных и эффективных систем мониторинга.

3. Разработана эффективная комплексная методика автоматизированного формирования и коррекции расчётных моделей сооружений данными мониторинга и диагностики технического состояния зданий и сооружений.

4. Разработан метод автоматизированного ввода данных мониторинга в расчетную модель, включающий процедуры учета появившихся трещин, изменения свойств материалов и параметров конструкций, построение адекватной численной модели массива грунтового основания, а также учета пространственного деформирования сооружений.

5. Разработан метод построения аппроксимирующих линий и формирования условных узлов для систем мониторинга элементов пространственных стержневых конструкций расположенных в удаленных и труднодоступных зонах сооружения для автоматизации моделирования.

6. Результаты диссертационной работы внедрены в практическую деятельность в ходе мониторинга арочного навеса входной группы Терминала Б аэропорта «Шереметьево-3» в г. Химки.

7. Сформулированы перспективные направления дальнейших исследований:

• разработка метода автоматизированного формирования условных контролируемых узлов плоских элементов конструкций (стен и плит перекрытий) с помощью технологий лазерного сканирования для мониторинга их пространственного положения;

• совершенствование метода автоматизированного формирования модели грунтового основания за счет использования метода пространственной триангуляции Делоне;

• разработка универсальных средств автоматизированного моделирования различного рода дефектов в металлических и железобетонных конструкциях.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: Статьи, опубликованные в журналах и изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Ермаков, В А., Коргин, A.B. Методика МКЭ-оценки несущей способности конструкций с учетом наличия дефектов [текст] // Вестник МГСУ. - 2009. — №1. — с. 26-28.

2. Коргин, A.B., Захарченко, М.А., Ермаков, В.А. Методика актуализации расчетной схемы сооружения, подвергаемого процедуре мониторинга [текст] // Промышленное и гражданское строительство. — 2011. —№3. — с. 28—31.

3. Коргин A.B., Ермаков, В.А. Автоматизированная актуализация МКЭ-модели сооружения в ходе мониторинга [текст] // Механизация строительства. - 2011. — №7. - с. 16-17.

4. Анализ нормативной документации по мониторингу технического состояния зданий и сооружений, совершенствование методов мониторинга на базе центра структурированных систем мониторинга [текст] / A.B. Коргин, М.А. Захарченко, М.В. Емельянов, В.А. Ермаков и др. // Вестник МГСУ. - 2011. -№8. - с. 212-221.

5. Ермаков, В.А. Усовершенствование методики мониторинга пространственных деформаций стержневых конструкций сооружений с помощью лазерного сканирования [текст] // Вестник МГСУ. - 2011. - №8. - с. 206-211.

6. Коргин, A.B., Ермаков, В.А. Автоматизация формирования и коррекции расчетных моделей при мониторинге технического состояния зданий и сооружений // Интернет-вестник ВолгГАСУ. Сер.: Политематическая. — 2012. - Вып. 3 (23).

Статьи, опубликованные в других научных журналах и изданиях:

7. Коргин, A.B., Ермаков, В.А. Методика МКЭ-оценки несущей способности конструкций с учетом наличия дефектов [текст] // Сб. науч. тр. XII междунар. науч.-практ. конф. молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности». -М.: МГСУ, 2009. - с. 54-57.

8. Коргин, A.B., Ермаков, В.А. Создание и актуализация МКЭ-модели большепролетного сооружения в ходе мониторинга технического состояния несущих конструкций [текст] // Сб. науч. тр. XIII междунар. науч.-практ. конф. молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство — формирование среды жизнедеятельности». — М.: МГСУ, 2010. - с. 72-76.

9. Коргин, A.B., Ермаков, В.А. Мониторинг пространственных деформаций сооружений с помощью лазерного сканирования [текст] // Сб. науч. тр. XIV междунар. науч.-практ. конф. молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство — формирование среды жизнедеятельности». - М.: МГСУ, 2011. - с. 38-41.

10. Коргин, A.B., Захарченко, М.А., Ермаков, В.А. Мониторинг технического состояния ответственных сооружений с использованием современных геодезических методов измерений и численного анализа методом конечных элементов [текст] // Мониторинг. Наука и безопасность. - 2011. - №3. - с. 58-63.

Лицензия ЛР №020675 от 09.12.1997 г. ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» Подписано в печать: 16.11.2012. Формат: 60x84 1/16 Печать: XEROX Объем: 1,0 п.л._Тираж: 100__Заказ №: 96k

129337, г. Москва, Ярославское ш., 26, ФГБОУ ВПО «МГСУ»