авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:     | 1 ||

Разработка и создание деформационного мониторинга инженерных сооружений в карстовом районе

-- [ Страница 2 ] --

Численное решение задачи о деформационном взаимодействии карстовой полости с системой «грунтовое основание – фундамент – сооружение» осуществлялось методом конечных элементов с использованием программного комплекса ANSYS. В проведенных численных экспериментах результат влияния карстовой полости на изменение напряженно-деформированного состояния (НДС) в элементах системы «грунтовое основание – фундамент – здание» устанавливался путем сопоставления двух решений – с карстовой полостью и без нее.

Рис. 2. Изменения вертикальных осадок фундамента S вдоль оси здания для двух вариантов размеров карстовой полости, соответственно в упругом и упруго-пластическом приближении для грунта

Во всех проведенных расчетах карстовая полость представляется в виде эллипсоида с фиксированным значением вертикальной полуоси, равным 1м, и с равными значениями двух горизонтальных полуосей. Изменение объема и границы карстовой полости осуществлялось за счет изменения размеров горизонтальных полуосей. Глубина залегания полости для представленных ниже результатов составила 31м.

Рис. 3. Изменение величин углов поворота верхней части здания вдоль его длины за счет появления карстовой полости с размерами полуосей 11010м в упругой постановке

На рис. 2 приведены изменения вертикальных осадок фундамента S вдоль продольной оси здания для двух размеров карстовой полости, полученные в рамках упругого и упруго-пластического приближений.

В ходе численных экспериментов также оценивалось изменение углов наклона (поворота) в некоторых точках несущих стен здания, которые представлены на рис. 3.

Из анализа проведенных численных экспериментов следует, что факты появления и изменения карстовой полости могут быть зафиксированы, если измерять следующие деформационные параметры:

– изменения величин вертикальных осадок фундамента здания:

– точность измерения 1 мм,

– диапазон измерения 0 10 см,

– дискретность по длине фундамента 10 м;

– изменения величин углов поворота на несущих стенах здания:

– точность измерения 0.00005 рад,

– диапазон измерения 0 0.005 рад,

– изменение компонент тензора деформаций на несущих стенах здания:

– точность измерения 10-5,

– диапазон измерения 0 0.002.

Из полученных результатов следуют выводы:

– все приведенные деформационные параметры хороши тем, что экспериментально могут быть измерены;

– измерения углов наклона и компонент тензора деформаций в дискретных точках, во-первых, малоинформативны с точки зрения оценки НДС в произвольных фрагментах конструкции и требуют большое количество точек измерений (а значит, и датчиков), чтобы достаточно хорошо описать распределения этих величин по элементам сооружения (см. рис. 3);

– изменения величин вертикальных осадок фундамента здания имеют преимущество перед другими измеряемыми величинами: во-первых, потому что с помощью математической модели деформационного поведения позволяют оценить НДС любых других элементов здания, а во-вторых, не требуют большого числа точек измерений (а значит, датчиков), чтобы описать распределения этих величин по основанию фундамента.



Таким образом, численные эксперименты по исследованию закономерностей квазистатических деформационных процессов взаимодействия карстовой полости с системой «грунтовое основание – фундамент – сооружение» позволили определить структуру совокупности первичных датчиков, необходимых для деформационного мониторинга элементов здания. Основополагающей группой датчиков являются измерители вертикальных осадок, дискретно распределенные по периметру фундаментов здания. Датчики по измерению углов наклона и линейных деформаций также вошли в состав системы, но лишь с целью корректировки параметров математической модели при адаптации ее к объекту мониторинга.

В системе мониторинга для регистрации неоднородности осадок фундаментов был выбран метод гидростатического нивелирования, описанный в работах P. Pelissier, D. Roux, E. Meier и др. Этот метод позволяет измерять вертикальные перемещения точек элементов сооружения, в которых закреплены датчики гидронивелирования, относительно горизонтальной поверхности, формируемой уровнями поверхности жидкости в сообщающихся объемах датчиков. В качестве недостатка метода следует отметить, что он не позволяет измерять жесткие смещения здания и его поворот относительно оси, направление которой совпадает с направлением поля тяжести. Но следует отметить, что эти жесткие трансляции и не изменяют НДС конструкции.

В разработанной системе измерения неоднородности осадок текущее положение уровня жидкости относительно измерительного модуля осуществляется с помощью поплавка и индуктивного датчика линейных перемещений (LVP-100 GA-SA7-I фирмы Micro-Epsilon).

В главе 1 подробно рассмотрены факторы, определяющие погрешность измерения уровня жидкости, и способы ее снижения. Достоинствами этой измерительной системы являются: простота изготовления; широкий рабочий диапазон измерения уровня жидкости; необходимая точность измерений. В частности, для рассматриваемого 5–этажного жилого дома оценка погрешности датчика уровня составила (+/- 0.5 мм), а диапазон изменения уровня (+/- 5 см).

Рис. 4. Внешний вид системы измерения неравномерности осадок фундаментов

На рис. 4 представлен внешний вид системы измерения неравномерности осадок фундаментов.

На основе проведенных расчетов была выбрана схема размещения датчиков в подвале здания (рис. 5), согласно которой на фасадной и дворовой частях фундаментов здания располагаются по 10 датчиков.

 Схема размещения датчиков в подвале-12

Рис. 5. Схема размещения датчиков в подвале здания

Известно, что параметры динамической реакции системы «грунтовое основание – фундамент – сооружение» на внешнее динамическое воздействие являются информативными для деформационного мониторинга. В качестве параметров динамической реакции могут быть: значения и распределения собственных частот; уровни амплитуд ускорений в элементах сооружения; величины, характеризующие диссипативное поведение элементов сооружения и т.п. Для математического моделирования этих величин была поставлена начально-краевая задача о динамической деформационной реакции системы «грунтовое основание – фундамент – сооружение» на импульсное силовое воздействие на поверхность грунта. Численная реализация этой задачи позволила оценить диапазон частот колебаний конструкции здания (от 1 Гц и выше), а также амплитуды перемещений (10-8 – 10-6 м) и скоростей (10-7 – 10-5 м/с), вызванных воздействием проезжающего транспорта. Исходя из этой информации, в качестве прибора, регистрирующего динамические реакции системы, был выбран 3-х компонентный сейсмометр СМЕ4111.

Рис. 6. Принципиальная схема системы автоматизированного мониторинга деформационного состояния сооружения

На основании анализа результатов всех численных экспериментов были конкретизированы совокупности всех датчиков, вошедших в состав системы деформационного мониторинга, и их параметры.

На рис. 6 представлена принципиальная схема системы автоматизированного мониторинга деформационного состояния сооружения, включающая в себя:

– датчики, установленные на конструкции объекта;

– подсистему сбора информации с датчиков;

– подсистему передачи информации на сервер центра мониторинга;

– подсистему хранения измеренных данных и управления ими на сервере центра мониторинга;

– подсистему обработки, анализа информации;

– подсистему визуализации данных для пользователей.

Во второй главе приводится описание автоматизации процессов сбора, хранения и передачи данных. Описаны использованные в составе системы мониторинга аппаратные и программные средства системы на объекте исследования, а также программные средства для обработки и визуализации данных в центре сбора информации. В главе приведено описание процедуры передачи данных по каналам связи с наблюдаемого объекта в центр сбора информации. Материал, приведенный в этой главе, имеет информационно-вспомогательный характер с точки зрения исследования деформационных процессов в элементах объекта мониторинга, но является неотъемлемым для представления деформационного мониторинга в виде единой автоматизированной системы.

В третьей главе приведены результаты работы созданной автоматизированной системы деформационного мониторинга, установленной в 5–этажном кирпичном доме, расположенном в карстовом районе. В этой главе приведен анализ результатов работы системы мониторинга за 2.5 года ее эксплуатации.

По протоколу, определяющему режим работы системы, измерения, сбор и передача данных на центральный сервер осуществлялась каждые 1.5 часа. С помощью разработанных программных средств производилась обработка поступающей информации в аналитическом блоке системы мониторинга, в результате чего были получены зависимости, которые характеризуют деформационные процессы, происходящие в наблюдаемом объекте. В частности, на рис. 7 представлены распределения величин осадок вдоль периметра фундаментов за все время работы системы мониторинга, а на рис. 8 – эволюции этих величин в деформационно-активных точках фундаментов.

Рис. 7. Распределения осадок вдоль периметра фундаментов за все время наблюдений. Цифры на графиках определяют местоположение датчика в соответствии с рис.5.

 Эволюция осадок в месте установки-15

Рис. 8. Эволюция осадок в месте установки датчиков 3 7 и 13 17

Приведенные зависимости (рис. 7) позволяют получить выражения для первых производных от осадок по длине фундамента, которые, согласно СНиПам (Строительные нормы и правила), являются нормативными величинами и называются относительными разностями осадок. Эволюционные зависимости (рис. 9) позволяют оценить скорости изменения нормативного деформационного параметра – относительной разности осадок. Знание нормативной предельно допустимой величины относительной разности осадок (по данным СНиП) и распределения скоростей и достигнутых уровней относительных разностей осадок позволяет получить оценку временного интервала безопасной эксплуатации сооружения по данному параметру.

Рис. 9. Эволюция относительной разности осадок фундаментов s между датчиками (7-8) и (13-14), согласно рис.5

Доступ к результатам обработки данных измерений был организован через Интернет в on-line режиме и открыт для любого пользователя, наделенного правом доступа к соответствующей web-странице. Проведенные наблюдения деформационных процессов продемонстрировали рост относительной разности осадок между датчиками (рис. 9). По достижению пороговых значений разности осадок на конкретных датчиках система выдавала предупреждение на web-странице в виде кружков желтого или красного цвета, символизирующее критическое состояние фундамента в окрестности этих датчиков.

Получаемая от систем дискретно распределенных датчиков информация не может в полной мере характеризовать деформационные процессы во всей совокупности элементов здания. Для воспроизведения полной картины НДС всей конструкции в работе используется математическая модель, описывающая закономерности деформационных процессов в системе «карст – грунтовое основание – фундамент – сооружение», представленная в главе 1. В этой математической модели грунтовое основание отбрасывалось, а взаимодействие его с фундаментами учитывалось за счет граничных условий, которые формулировались на основании результатов измерений относительных осадок. Таким образом, в соответствии с эволюционной последовательностью изменений осадок получены эволюционные изменения НДС во всех элементах здания. Численная реализация краевых задач осуществлялась методом конечных элементов с использованием программного пакета ANSYS в автоматическом режиме по программному запросу из аналитического блока системы мониторинга. Результаты решения этих задач автоматически размещались на web-странице и становились доступными через Интернет.





 Изменения эквивалентных-17

Рис. 10. Изменения эквивалентных напряжений в конструкции здания вследствие осадок фундаментов

На рис. 10 показаны изменения эквивалентных напряжений (по Мизесу) в конструкции здания вследствие осадок фундаментов. Такой подход позволяет определять местоположение и эволюцию деформационных параметров отдельных элементов здания.

Рис. 11. Эволюция низшей собственной частоты конструкции здания

Далее в главе 3 приводится анализ динамических процессов в конструкции сооружения. В ходе работы системы мониторинга зафиксировано интересное явление – сезонные смещения низшей собственной частоты конструкции здания (рис. 11), связанные, по всей видимости, с изменениями физико-механических свойств грунтов.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

  1. Разработана методология определения наиболее информативной структуры совокупности первичных датчиков с использованием математического моделирования деформационного поведения объекта.
  2. Теоретически обоснована возможность использования измеренных величин осадок фундамента в качестве краевых условий для решения задачи об НДС любых элементов объекта мониторинга (упругий случай).
  3. Осуществлено внедрение в аналитический блок системы мониторинга математической модели деформационного поведения объекта. Численная реализация математической модели осуществляется в автоматическом режиме и использует в качестве исходных данных показания дискретно расположенных первичных датчиков.
  4. Этот вариант использования математической модели и показаний датчиков позволил определить закономерности деформационных процессов во всех элементах объекта в зависимости от реальных осадок фундаментов.
  5. Полученные эволюционные зависимости параметров деформационного состояния элементов сооружения являются основой для оценки остаточного временного ресурса наблюдаемого объекта.
  6. Создана автоматизированная система мониторинга деформационных процессов в элементах здания, расположенного в карстовом районе. Эта система позволила за 2.5 года бесперебойной работы объективно оценивать степень безопасности эксплуатации здания и принимать правильные решения по инженерно-организационным мероприятиям.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Цветков Р.В., Шардаков И.Н. Моделирование деформационных процессов в системе «грунтовое основание-фундамент-здание» при наличии карстовых явлений // Вычислительная механика сплошных сред. – 2010. – Т.3, №3. – С.102 – 116 (из перечня ВАК).

2. Цветков Р.В., Шардаков И.Н. Автоматизированная система измерения неравномерности осадок сооружения // Вестник ВолгГАСУ. Сер.: Стр-во и архит. – Волгоград. – 2008. – Вып. 10 (29). – С. 128 – 134 (из перечня ВАК).

3. Голотина Л.А., Цветков Р.В., Шардаков И.Н. Использование программного средства «ANSYS» в автоматизированной системе мониторинга механического состояния зданий и сооружений // Международный журнал по расчету гражданских и строительных конструкций. – 2008. –Т.4, №.2. – С. 48–49 (из перечня ВАК).

4. Пат. № 2378457, Российская федерация, МПК E02D33/00. Система мониторинга здания, находящегося под действием возмущений от его фундамента / И.Н. Шардаков, В.П. Матвеенко, Р.В. Цветков, Л.А. Голотина; заявитель и патентообладатель ИМСС УрО РАН. – №2008145818 Заявл. 19.11.2008; опубл. 10.01.2010.

5. Голотина Л.А., Цветков Р.В., Шардаков И.Н. Расчет напряженно-деформированного состояния строительной конструкции - составная часть автоматической системы мониторинга // Современные проблемы математики, механики, информатики: Материалы международной научной конференции – Тула, 2008. – С.180 –184.

6. Гущина Т.С., Цветков Р.В. Роль и значимость инженерно-геологических процессов на эволюцию деформационных явлений в жилом доме // Проблемы и задачи инженерно-строительных изысканий. Проблемы инженерной геологии карста урбанизированных территорий и водохранилищ: Материалы Всеросс. науч.-практ. конф. – Пермь. – 2008. – С.49–55.

7. Матвеенко В.П., Шардаков И.Н., Цветков Р.В. Интеллектуальный мониторинг механического состояния зданий и сооружений // Труды Всероссийской научной сессии научных советов РАН по механике деформируемого твердого тела и по проблемам горных наук. – Якутск, 16-20 июня 2008. – С.15-21.

8. Цветков Р.В. Оценка напряженно-деформированного состояния объекта в автоматизированной системе мониторинга // Неравновесные переходы в сплошных средах. Материалы всероссийской конференции молодых ученых. – Пермь. – 2008. – С.289– 292.

9. Цветков Р.В., Шардаков И.Н., Бобров А.В., Чугунов Д.П., Янгиров Р.Р. Система автоматизированного мониторинга деформационного состояния здания // Конференция Актуальные проблемы математики, механики, информатики. Сборник статей. – Пермь – Екатеринбург. – 2008. – С.165– 171.

10. Цветков Р.В., Юрлов М.А. Устройство для беспроводной передачи данных в системах мониторинга // Зимняя школа по механике сплошных сред (пятнадцатая). Сборник статей. – Екатеринбург. – 2007. – Ч. 3. – С. 258 – 261.

11. Шардаков И.Н., Цветков Р.В., Мухаметжанов И. Мониторинг деформационного состояния жилого дома при помощи оптико-волоконных датчиков // Фотон-экспресс. – 2007. – №6. – С.62– 63.



Pages:     | 1 ||
 

Похожие работы:








 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.