Delist.ru

 Оценка напряженно-деформированного состояния несущих конструкций зданий и сооружений в ходе мониторинга их технического состояния (29.10.2008)

Автор: Коргина Мария Андреевна

Практическая значимость результатов исследования. Разработанная методика оценки НДС несущих конструкций зданий и сооружений в ходе периодического мониторинга их технического состояния предлагается для практической деятельности специализированных организаций, занятых мониторингом строительных объектов, расположенных в крупных городах. Разработанная методика может эффективно использоваться для зданий и сооружений различного назначения и различных конструктивных схем. Применение данной методики позволяет повысить уровень эксплуатационной безопасности строительных объектов, испытывающих неравномерные деформации основания.

Внедрение результатов работы. Положения и результаты настоящей работы использовались в 2005-2008г.г. при мониторинге объектов г. Москвы и Московской области, среди которых здание многофункционального административного комплекса «Альфа Арбат Центр», г. Москва, ул. Арбат, д.1; спортивно-оздоровительный комплекс «Сорочаны», МО, Дмитровский р-н.

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, 2005-2008г.г.; на всероссийской научно-практической конференции «Научное творчество молодежи – путь к обществу, основанному на знаниях», г. Москва, 2008г.; на заседаниях кафедр испытания сооружений, инженерной геологии и геоэкологии МГСУ в 2005-2008г.г.

Практические результаты работы были представлены на выставке «НТТМ-2008». По итогам выставки работа награждена Грантом Президента РФ II степени.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, из них 3 статьи опубликованы в издании, рекомендованном ВАК, 9 статей в сборниках трудов международных и всероссийских научно-практических и научно-технических конференций, 3 статьи в сборниках трудов кафедр МГСУ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка из 168 наименований, приложений и содержит 225 страниц, в том числе 145 страниц машинописного текста, 74 рисунка, 18 таблиц.

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

общая постановка проблемы, основные цели и положения разработанной методики, схема организации процесса периодического мониторинга;

методика построения взаимодействующих ПК и МКЭ-моделей сооружения, технология ПК-съемки в условиях стесненного доступа;

практические основы организации процесса сбора, обработки и анализа данных мониторинга с целью последующего МКЭ-моделирования, теоретические основы поставленной расчетной задачи.

экспериментальная апробация результатов теоретических положений диссертационной работы в практической инженерной деятельности при мониторинге строительных объектов в г. Москве.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение диссертации раскрывает актуальность темы работы, определяет объект, предмет, научную новизну и практическую значимость работы.

В первой главе диссертации произведены классификация и анализ причин возникновения и развития повреждений строительных объектов, проведен обзор существующих методов мониторинга технического состояния конструкций с использованием современной аппаратуры, динамических и геодезических методов.

Строительный объект представляет собой многокомпонентную систему взаимодействующих конструктивных элементов, работоспособность и техническое состояние каждого из которых определяет прочность, устойчивость и эксплуатационную безопасность сооружения в целом в ходе его жизненного цикла. Накопленный опыт строительства и эксплуатации различных объектов свидетельствует о том, что изменение условий нормального функционирования компонентов системы «основание-сооружение», заложенных на стадии проектирования, может быть вызвано самыми разнообразными причинами, основными из которых являются неравномерные деформации грунтового основания. Как следствие данные негативные воздействия вызывают повреждения фундаментных и надфундаментных конструкций и приводят к снижению или потере их несущей способности в ходе эксплуатации объектов. Причинами неравномерных деформаций основания могут являться разуплотнение грунтов при техногенных воздействиях, карстово-суффозионные процессы, увеличение внешней нагрузки на основание, резкие изменения гидрогеологических условий территории, изменение объема грунтов при химических и физических воздействиях и т.д. Неравномерные деформации грунтового основания наиболее часто встречаются в крупных городах, для которых характерна плотная застройка территорий, стесненность строительных площадок, сложность инженерно-геологической обстановки, насыщенность подземными инженерными коммуникациями и т.д.

Существующие нормативно-технические документы определяют предельно допустимые величины дополнительных совместных деформаций оснований и сооружений (вертикальных осадок и кренов) для весьма ограниченного количества типов конструктивных схем строительных объектов. В большинстве случаев неравномерные деформации основания носят сложный пространственный характер и вызывают, в свою очередь, пространственные деформации всего объекта. Для получения полной и объективной картины их влияния на техническое состояние конструкций сооружений необходимо использовать дополнительные численные критерии оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) конструкций. На сегодняшний день единой рекомендованной нормативными документами методики, позволяющей проводить подобные оценки, не существует.

В виду того, что деформационные воздействия на конструкции сооружений в результате изменения состояния и свойств основания носят в основном длительный характер, на сегодняшний день наиболее эффективным способом прогнозирования и предупреждения аварийных ситуаций является мониторинг их технического состояния, проводящийся в периодическом режиме.

Использование мониторинга для оценки технического состояния конструкций широкого класса сооружений различного назначения стало необходимой процедурой сравнительно недавно. По этой причине методы проведения мониторинга строительных объектов и трактовки получаемых в его ходе результатов, а также регламентирующая их нормативная база на сегодняшний день недостаточно проработаны, что определяет актуальность разработки эффективной методики оценки технического состояния несущих конструкций сооружений на основе данных периодического мониторинга.

Базовой составляющей разработанной методики является инженерное обследование технического состояния конструкций объекта, осуществляемое специалистами. В ходе инженерного обследования объективно выявляются происходящие изменения за счет визуального и инструментального контроля, что далеко не всегда удается осуществить с помощью автоматизированных методов мониторинга. В полном объеме инженерное обследование проводится на подготовительном этапе мониторинга и в выборочном на промежуточных

Нормативное техническое состояние конструкций сооружений в значительной степени определяется неизменностью и стабильностью их геометрических параметров (пространственное положение, пролеты, прогибы, перемещения). Контроль деформаций сооружений традиционно осуществляется путем определения развития в основном вертикальных осадок по контуру объекта в уровне основания с помощью геометрического нивелирования. При этом очевидно, что учет только вертикальных осадок в уровне основания не отражает реальной картины пространственной деформации всего объекта и изменения НДС его конструкций. Ошибки могут быть особенно велики при значительных габаритах и большой этажности сооружений, когда невозможен доступ к необходимому количеству точек для геометрического нивелирования в нужном объеме.

При сложном пространственном характере неравномерные деформации основания, вызывая пространственные деформации всего сооружения, сопровождаются повреждениями элементов его несущих конструкций по всему объему. В подобных случаях выявить полностью характер деформирования основания инструментально практически невозможно, как и численно оценить его влияние на НДС несущих конструкций. В такой ситуации непосредственный контроль пространственных деформаций сооружения позволит, не зная полностью характер и параметры деформаций основания, напрямую оценивать в ходе мониторинга изменение НДС конструктивных элементов сооружения.

Таким образом, при неравномерных деформациях основания основными параметрами, которые должны контролироваться в ходе мониторинга, являются пространственные деформаций сооружения - взаимные перемещения массива его характерных точек в нескольких уровнях по высоте и периметру объекта, которые он испытывает в результате деформационного воздействия со стороны основания. Наиболее эффективным способом решения данной проблемы является пространственно-координатный мониторинг положения характерных точек объекта с помощью современной геодезической аппаратуры, которая на сегодняшний день способна обеспечить необходимую точность и скорость измерений.

По результатам мониторинга, в соответствии с требованием СП 13-102-2003, помимо визуально-нормативной оценки технического состояния конструкций, должен производиться численный анализ их НДС на основании проверочных расчетов с уточненными данными, полученными при обследовании сооружения. На сегодняшний день проектирование и расчет строительных конструкций, как правило, осуществляется численными методами на ЭВМ с помощью специализированных вычислительных комплексов, алгоритмы которых в подавляющем большинстве основаны на методе конечных элементов (МКЭ). Данная технология является в настоящий момент основным инженерным инструментом автоматизированного математического анализа НДС строительных конструкций от любого вида внешних воздействий, включая неравномерные деформации оснований.

По этим причинам, основой содержания настоящей работы является разработка методики перехода от параметров пространственного деформированного состояния сооружения, полученного в ходе инструментальных измерений, к изменениям параметров НДС, возникшим в конструктивных элементах в результате деформационного воздействия на объект со стороны основания.

Во второй главе диссертации представлена разработанная методика геодезических измерений пространственных деформаций объектов мониторинга с использованием ПК-моделей в условиях плотной городской застройки.

Определение пространственных перемещений массива характерных точек объекта, замаркированных деформационными марками в нескольких уровнях по высоте и периметру сооружения, осуществляется путем их пространственно-координатной (ПК) съемки с помощью электронных тахеометров (рис. 1). По разности значений пространственных координат (xi, уi, zi), соответствующих фактическому планово-высотному положению точек в разных циклах мониторинга, вычисляются как вертикальные, так и горизонтальные перемещения сооружения (1,2). С целью систематизации массива точек в рамках данной работы вводится понятие пространственно-координатной модели (ПК-модели) контроля деформаций сооружения (рис. 2-3). Характерные точки сооружения являются так называемыми контролируемыми узлами ПК-модели.

В зависимости от размера сооружения и его конструктивной схемы ПК-модель может формироваться только по внешнему контуру объекта, т.е. состоять из внешних контролируемых узлов, фиксированных на фасадах. В случаях значительных габаритов или при сложной конструктивной схеме объекта для повышения точности измерений и возможности дополнительного контроля деформаций ПК-модель должна содержать контролируемые узлы внутри объекта

Формирование ПК-модели осуществляется по проектной документации или по результатам обследования сооружения в зависимости его от габаритов, конфигурации в плане, этажности, расположения несущих конструкций, типа фундаментов и т.д., с учетом возможности доступа к объекту для проведения геодезической съемки. В общем случае, контролируемые узлы ПК-модели выборочно располагаются в основных узлах каркаса, в местах пересечения несущих продольных и поперечных стен, в зонах размещения деформационных швов, в местах сопряжения отдельных частей сооружения и т.д. При этом формируются вертикальные створы и горизонтальные уровни, в количестве не менее 3-х узлов в каждом из них. Общее количество контролируемых узлов устанавливается на основании критериев достоверности для объективного выявления картины пространственных деформаций объекта.

Рис. 3. Пространственное

перемещение вертикального

Рис. 2. ПК-модель контроля деформаций.

Планово-высотная сеть для ПК-съемки внешних контролируемых узлов объекта создается методом полигонометрии, наиболее приемлемом в стесненных городских условиях, и включает в себя станции, расположенные на точках опорной геодезической сети (ОГС). Места расположения точек ОГС определяются территорией застройки, формой и площадью объекта мониторинга, а также доступом к нему. Съемка сооружения осуществляется в местной системе координат, наиболее выгодное расположение координатных осей которой достигается при совмещении их направления с продольными и поперечными осями сооружения, что позволяет без промежуточных вычислений определять перемещения узлов ПК-модели вдоль данных осей. Высотная сеть для определения вертикальных составляющих осадок внутренних контролируемых узлов создается методом геометрического нивелирования в единой системе высот с внешней ОГС.

Основная проблема проведения ПК-съемки в стесненных условиях плотной городской застройки заключается в ограничениях, налагаемых возможностям стандартных плоских световозвращающих марок (рис. 4а) по обратному возвращению светового потока лазерного дальномера тахеометра при критических углах падения луча менее 30°-35° к плоскости катафотного слоя марки, вследствие чего теряется возможность проведения точных измерений.

Данные ограничения в рамках настоящей работы преодолены в результате создания специализированной технологии ПК-съемки в условиях стесненного доступа к объекту мониторинга. В ее основе лежит использование специально разработанных сферических световозвращающих марок, позволяющих проводить устойчивые измерения координат при любых углах визирования с заданной точностью в большом диапазоне расстояний. Сферическая световозвращающая марка (рис. 4b) представляет собой сферу радиусом 20мм, обклеенную световозвращающей катафотной тканью. При наведении на такие марки с любой точки стояния тахеометра автоматически обеспечивается нормальное падение луча к сферической поверхности в точке наведения и прохождение его продолжения через центр сферы, что исключает эффект косого визирования и позволяет наблюдать расположенные на фасаде здания марки с любого направления без снижения точности наведения (рис. 5). Возникающая при этом константа измерений (расстояние до центра сферы) определяется экспериментально для используемого типа электронного тахеометра.

Использование сферических марок при ПК-съемке в условиях плотной городской застройки позволяет получать более полную картину пространственных деформаций сооружения за счет увеличения количества внешних узлов ПК-модели, расположенных в верхних контролируемых уровнях объекта, по сравнению с использованием стандартных плоских марок.

Рис. 4. a) Плоские самоклеящиеся световозвращающие марки.

Рис. 5. Характер отражения сферической световозвращающей марки.

1 – точка наведения; 2,3 – точка минимума световозвращения катафотной сферической поверхности; 4 – константа световозвращающей сферической марки; 5 – объектив светодальномера; 6 – сфера со световозвращяющим катафотным покрытием; 7 – точка критического угла падения для катафотной сферической поверхности.

Требуемая точность измерения пространственных деформаций ПК-модели обуславливается техническим заданием на производство работ, нормативными документами (ГОСТ 24846-81) на основании выбора класса точности измерений или специальными расчетами.

!метрами соответствует техническим характеристикам приборов и, в общем случае, характеризуется среднеквадратичной погрешностью (СКП-m) измерений горизонтальных углов m?, расстояний mD и углов наклона m? .

загрузка...