автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Методика актуализации расчетных моделей зданий и сооружений в ходе мониторинга их технического состояния

На правах рукописи

005045688

Ермаков Валентин Алексеевич

МЕТОДИКА АКТУАЛИЗАЦИИ РАСЧЕТНЫХ МОДЕЛЕЙ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ В ХОДЕ МОНИТОРИНГА ИХ ТЕХНИЧЕСКОГО

СОСТОЯНИЯ

Специальность: 05.23.01 — Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

- / ию:-] мг

Москва-2012

005045688

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 «¿?» аии^ЛЯ 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 расчётная 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 расчётных 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 расчётных моделей сооружений в ходе мониторинга технического состояния их несущих конструкций.

Целью диссертации является развитие и совершенствование методов расчёта, оценки и диагностики технического состояния строительных конструкций и сооружений путём разработки эффективной методики актуализации расчётных 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 АК'ЭУЗ.

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 расчётной модели системы «основание-сооружение» на основе данных инженерно-геологических изысканий.

■ автоматизированного определения общего напряжённо-деформированного состояния (НДС) сооружений и их элементов по результатам пространственно-координатных измерений деформаций.

" оперативного учета наличия дефектов и повреждений конструкций в конечно-элементной расчётной 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.

Внедрепие 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 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, 2009-2011г.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 1-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 152 наименований, приложений и содержит 191 страниц машинописного текста, 83 рисунка, 8 таблиц и 8 графиков.

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

• Основные положения разработанной методики актуализации расчётных 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 МКЭ-комплексов 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 напряженно-деформированного 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 расчётных моделей. Данные модели должны учитывать совместную работу системы «основание-сооружение», 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 расчётной 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 A.B., Левина В.А., Морозова Е.М., Муйземнека А.Ю., Шадского A.C., Фрисвелла М., Хофслеттера Г. и др.

Основными этапами формирования методики актуализации расчётных МКЭ-моделей 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 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 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 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.

В существующих нормативных документах требования к оценке фактического НДС конструкций ограничиваются лишь использованием актуализируемых МКЭ-моделей 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 расчёте строительных объектов. Необходимым для реализации разработанной методики является наличие в комплексе ANSYS встроенного параметрического языка программирования APDL, обладающего возможностями создания сценариев для выполнения расчётов, 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 расчётную 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 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.

В связи с этим, в данном разделе работы было также проведено усовершенствование методики мониторинга с помощью наземных лазерных сканирующих систем, применительно к пространственным стержневым конструкциям (металлические фермы, железобетонные каркасы), ориентированной на решение следующих задач:

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

• минимизация количества станций съемки для повышения точности измерений;

• разработка методики мониторинга 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 МКЭ-модели сооружения для дальнейшего

математического моделирования напряженно-деформированного состояния.

Для решения поставленных задач было разработано несколько подпрограмм на языке программирования Visual Basic для AutoCAD, позволяющих проводить обработку полного 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. 1). В результате оценка происходящих в ходе мониторинга конструкций изменений на основе таких данных является затруднительной.

Рис. 1.

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 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.

Усовершенствованную методику 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 AutoCAD в формате *.dxf;

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

« создание «условных» контролируемых узлов и экспорт их пространственных координат в отчетный файл *.xlsx с помощью подпрограммы Nodes.bas;

Сечение лвугакра

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

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

Исходными данными для работы алгоритма служит облако точек, каждая из которых имеет координаты x^y^Zj. 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.

х = Х~;У — £ —;z = где п - количество точек. И)

n n n 4 '

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 1-Х У! -у Zj-Z\ А= х2-х у2-у z2-z (2)

Vxr.-х yn-y Zn-z /

Матрица 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.bas на чертеже AutoCAD осуществляется автоматическое построение аппроксимирующей линии.

После выполнения подпрограммы FitLine.bas для всех стержней конструкции в работу включается подпрограмма Nodes.bas, 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 файл Nodes.xlsx для дальнейшего вычисления смещений в последующих циклах измерений.

rtPllc. 2.

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 помимо мониторинга пространственного деформирования стержневых объектов, разработанная подпрограмма РМлпе.Ьав может быть использована для создания

пространственно-координатных (ПК) и МКЭ-моделей сооружения на начальном этапе мониторинга при отсутствии обмерных чертежей объекта.

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 соответствие с нормальным распределением Гаусса.

В третьей главе представлена методика автоматизированной актуализации МКЭ-модели в ходе мониторинга технического состояния сооружения.

Процесс актуализации расчетной модели должен проводиться с учетом значимости параметра актуализации, то есть с учетом уменьшения влияния данного фактора на НДС конструкций.

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

Разработана методика автоматизированной актуализации расчетной модели объекта мониторинга, позволяющая 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.

По сравнению с широко распространенным в настоящее время методом расчета пространственных систем «основание-сооружение» с использованием плоских полупространств с переменным коэффициентом постели, в настоящей работе решается прямая пространственная задача, когда весь массив грунтового основания 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-механкческих 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 GeoLines.bas и GeoVol.bas на языке Visual Basic в среде AutoCAD, позволяющие в автоматизированном режиме создавать сложную геометрию грунтового основания.

Подпрограмма GeoLines.bas автоматически считывает исходный файл GeoLines.txt, в котором в текстовом формате представлены данные о вертикальной и горизонтальной привязке слоев грунта по координатам в соответствии с расположением геологических глубинных скважин, в результате чего в рабочем

пространстве AutoCAD появляются составные разноцветные линии, каждый цвет которых отвечает за определенный тип грунта и его толщину (рис. 3).

Рис. 3. Исходный txt-файп и его цветовое представление в среде AutoCAD

Далее, автоматически создаются объемы сложной пространственной конфигурации в соответствии с цветовой идентификацией смежных отрезков, формирующих вертикальные линии (рис. 4).

Процесс создания грунтового основания в среде AutoCAD завершается работой подпрограммы GeoExport.bas, которая автоматически объединяет объемы с данными инженерно-геологических изысканий в единые массивы и экспортирует полученные данные в формате *.SAT в ANS YS для дальнейшей работы с МКЭ-моделью (рис. 5).

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, с помощью внутреннего языка программирования APDL 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 МКЭ-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.

Рис. 4. Пространственная конфигурация грунтового основания в среде AutoCAD

Рис. 5 Массив грунтового основания, а - сформированный в AutoCAD б - импортированный в ANSYS

Далее программа разбивает объем на специальные конечные элементы и обрабатывает сетку элементов вблизи вершины трещины для возможности оценки коэффициента интенсивности напряжений и 1-интеграла (рис. 6).

Рис. 6. Стадии работы управляющего макроса учета трещины в двутавровом металлическом элементе

В результате работы управляющего макроса оценка напряженно-деформированного состояния МКЭ-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 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 МКЭ-модель (рис. 7).

Рис. 7. Стадии работы управляющего макроса учета трещины в перекрытии

монолитного здания

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.

Актуализация 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 в соответствующие узлы МКЭ-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 МКЭ-модели (рис. 8).

Рис. 8. ПК модель условного металлического каркаса и МКЭ-модель с «наложенными» перемещениями»

В качестве критериев адекватности расчетной модели в разработанной методике 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.

Четвертая глава диссертации посвящена вопросам экспериментальной проверки и апробации разработанной методики актуализации расчетных моделей сооружений.

Экспериментальная апробация разрабатываемой методики актуализации расчетной модели осуществлялась в ходе мониторинга технического состояния несущих конструкций арочного навеса входной группы Терминала О аэропорта «Шереметьева-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 МКЭ-модели реальному геометрическому состоянию применялась технология лазерного сканирования.

Рис. 9. ПК-модель сооружения Рис. 10. МКЭ-модель

а) тахеометрическая б) лазерное сканирование сооружения

съемка (43 точки) (3 792 711 точек)

Рабочая версия МКЭ-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 Riegi 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.bas и Nodes.bas были получены аппроксимирующие линии и условные узлы открытых частей линзообразных ферм арочного навеса (рис. 11).

Рис. 11. 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 разработанная методика мониторинга для данного объекта при фиксированных расстояниях измерений может быть использована 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. 12) и проведен анализ ее влияния на НДС конструкций арочного навеса, расположенных вблизи данного элемента.

Рис. 12. Сетка конечных элементов в зоне концентрации напряжений

Рис. 13. Изополя напряжений в элементе с 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%.

1. Проведенный в диссертационной работе анализ теории и практики численной оценки и диагностики технического состояния строительных конструкций зданий и сооружений с учетом реальных условий эксплуатации показал отсутствие эффективной методики актуализации расчетных моделей объектов мониторинга с помощью современных информационных технологий сбора и обработки данных.

2. Численная оценка напряженно-деформированного состояния несущих конструкций сооружений в ходе эксплуатации должна производиться с помощью оперативно актуализируемой расчётной модели, отражающей изменение состава, величин и схем приложения нагрузок, расчетной схемы сооружения, физико-механических характеристик материалов, пространственных перемещений, которые претерпело сооружений в результате внешних воздействий, а также возникающие дефекты и повреждения.

3. Разработана эффективная комплексная методика автоматизированной актуализации расчётных моделей сооружений данными мониторинга и диагностики, включающая процедуры учета появившихся трещин, изменения свойств материалов и параметров конструкций, построение адекватной численной модели массива грунтового основания, а также учета пространственного деформирования сооружений. Применение данной методики позволяет оперативно определять численные параметры напряженно-деформированного состояния конструкций для принятия решений о фактическом техническом состоянии сооружения.

4. Предложена методика мониторинга пространственно-координатного положения зданий сооружений и их отдельных элементов с помощью технологий лазерного сканирования, позволяющая проводить оперативный мониторинг изменения геометрии объектов сложной конфигурации.

5. Создана методика формирования условных контролируемых узлов для решения задач мониторинга элементов пространственных стержневых конструкций расположенных в удаленных и труднодоступных зонах.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

6. Разработана методика автоматизированного учета дефектов в металлических балках и железобетонных оболочечных элементах, позволяющая оперативно встраивать их в МКЭ-модель и численно оценивать их влияние на изменение НДС сооружения в целом.

7. Предложена методика автоматизированного моделирования грунтового основания на базе данных инженерно-геологических изысканий, позволяющая существенно упростить процесс формирования расчетной модели «основание-сооружение».

8. Разработанные методики в виде специализированных подпрограмм - макросов интегрированы в МКЭ расчетный комплекс АКБУЗ, что позволяет оперативно актуализировать расчетную модель сооружения данными, полученными в ходе мониторинга и производить числеш1ую оценку влияния выявленных изменений на НДС сооружения.

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

10. Выявлены следующие направления дальнейших исследований:

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

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

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

Основные положения диссертационной работы содержатся в следующих

публикациях:

Статьи, опубликованные в журналах и изданиях, рекомендованных ВАК:

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

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

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

4. Ермаков, В.А. Анализ нормативной документации по мониторингу технического состояния зданий и сооружений, совершенствование методов мониторинга на базе центра структурированных систем мониторинга ФГБОУ ВПО

«МГСУ» / A.B. Коргин, В.А. Ермаков, М.А. Захарченко, М.В. Емельянов // Вестник МГСУ. 2011. №8. С.212-221.

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

Статьи, опубликованные в других научных журналах и изданиях:

1. Ермаков, В.А. Методика МКЭ-оценки несущей способности конструкций с учетом наличия дефектов / A.B. Коргин, В.А. Ермаков // Научные труды XII международной научно-практической конференция молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» / Моск. гос. строит, ун-т. 2009. С.54-57.

2. Ермаков, В.А. Создание и актуализация МКЭ-модели большепролетного сооружения в ходе мониторинга технического состояния несущих конструкций /

A.B. Коргин, В.А. Ермаков // Научные труды XIII международной научно-практической конференция молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство — формирование среды жизнедеятельности» / Моск. гос. строит, унт. 2010. С.72-76.

3. Ермаков, В.А. Мониторинг пространственных деформаций сооружений с помощью лазерного сканирования / A.B. Коргин, В.А. Ермаков // Научные труды XIV международной научно-практической конференция молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство — формирование среды жизнедеятельности» / Моск. гос. строит, ун-т. 2011. С.38-41.

4. Ермаков, В.А. Мониторинг технического состояния ответственных сооружений с использованием современных геодезических методов измерений и численного анализа методом конечных элементов / A.B. Коргин, М.А. Захарченко,

B.А. Ермаков // Мониторинг. Наука и безопасность. 2011. №3. С.58-63.

КОПИ-ЦЕНТР св.: 77 007140227 Тираж 100 экз. г. Москва, ул. Енисейская, д. 36. тел.: 8-499-185-79-54, 8-906-787-70-86 www.kopirovka.nl