Авторефераты диссертаций >> Авторефераты по Приладобудуванни
Система для строительно-монтажных работ
На правах рукописи
СПИРИДОНОВ Валерий Петрович
УДК 621.317+528.08
ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ И УПРАВЛЯЮЩАЯ
СИСТЕМА ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНО-МОНТАЖНЫХ РАБОТ
Специальность:
05.11.16 – Информационно-измерительные и управляющие системы
(промышленность, научные исследования)
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Ижевск 2007
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Московский государственный открытый университет»
Официальные оппоненты:
член-корреспондент РАН, академик АН Литвы,
заслуженный изобретатель СССР,
доктор технических наук, профессор Рагульскис Казимерас Миколович
(ГОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет»);
член-корреспондент РАН, доктор технических наук,
профессор Уткин Владимир Иванович
(Институт геофизики УрО РАН, г. Екатеринбург);
доктор технических наук,
профессор Муха Юрий Петрович
(ГОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет»).
Ведущая организация: – ФГОУ ВПО «Сибирский государственный
университет»
Защита состоится 15 февраля 2008 г. в 14 часов на заседании
диссертационного совета Д 212.065.04 при Ижевском государственном
техническом университете (ИжГТУ)
по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая,7, ауд. 1-4.
Отзыв на автореферат, заверенный гербовой печатью, просим выслать
по указанному адресу.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИжГТУ
и на официальном сайте ВАК Минобрнауки РФ ( http://vak.ed.gov.ru /).
Автореферат разослан 14 января 2008 г.
| Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор | Б.Я. Бендерский |
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИТКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Промышленные сооружения, здания являются объектами длительного пользования и в процессе эксплуатации могут подвергаться разнообразным внешним воздействиям, в том числе, не предусмотренным первоначальным проектом. Это может быть реконструкция существующих зданий, пристрой или встраивание в существующую застройку новых зданий, что вызывает дополнительные усилия от новых эксплуатационных нагрузок и нередко - появление неравномерных осадок фундаментов в дополнение к тем осадкам, которые произошли с момента строительства. Неравномерные осадки могут также появиться в результате изменения физико-механических свойств грунтов, залегающих под подошвами фундаментов, причинами которого могут стать негативные геодинамические процессы (повышение или понижение уровня грунтовых вод, выход на поверхность карстовых воронок и др.), локальное увлажнение просадочных или набухающих грунтов из-за нарушения технологического процесса при возведении зданий или правил их эксплуатации. Эти и другие воздействия могут вызвать различные формы деформации здания, появление трещин, а в некоторых случаях приводят к разрушению здания.
Современные здания (сооружения) – это сложные многоэлементные системы, обладающие неоднородной структурой с различными прочностными и деформационными характеристиками элементов конструкций, включающие в себя кроме самого здания, также и подземную часть – фундамент и грунт, которые по отношению к зданию являются нагружающими системами и оказывают существенное воздействие на процесс разрушения. Для выявления качественных закономерностей и построения количественных зависимостей процессов деформирования и разрушения строительных объектов наиболее целесообразным, а во многих случаях – единственно возможным способом является математическое моделирование. При этом необходим учет реальной геометрической формы сооружения в рамках единой модели с фундаментом и основанием, неоднородности и нелинейного поведения строительных материалов (кирпичной кладки, железобетона, грунта) и различных комбинаций граничных условий при решении краевых задач. Это становится возможным при использовании современных численных методов и программных комплексов, реализующих их на ЭВМ.
В настоящее время здание, фундамент, грунтовое основание и другие конструктивные элементы сооружения (плиты перекрытий, колонны, несущие стены и др.) чаще всего рассматриваются отдельно друг от друга с использованием разных расчётных схем без учета взаимного влияния и определения границ применимости таких расчетных моделей. Методы решения комплексной задачи - совместного расчета здания, фундамента и деформируемого грунтового основания - разработаны в меньшей степени, хотя в настоящее время некоторые исследователи уже обращаются к методам численного моделирования сооружений с использованием ЭВМ, выделяя те или иные аспекты в своих исследованиях.
Сами объекты могут не претерпевать значительных деформаций и разрушений, сохраняя свою целостность, а вот отдельные элементы их конструкций могут иметь определенные смещения в вертикальных и горизонтальных плоскостях, которые выводят из строя отдельные узлы и элементы оборудования, приостанавливая технологический процесс. Поэтому непрерывный мониторинг состояния промышленных объектов и зданий, контроль деформаций и их прогнозирование необходимы для обеспечения безопасной эксплуатации сооружений и коммуникаций, а решение данной проблемы требует научного обобщения и проведения новых исследований.
Строительно-монтажные работы – основная составляющая часть строительного производства. Этот этап работ связан с установкой конструкций и элементов инженерных сооружений. Для их выверки и установки требуется высокоточное маркшейдерско-геодезическое обеспечение. Контролировать площадь застройки, положение объектов в пространстве, как при монтаже, так и в процессе эксплуатации можно по точкам, координаты которых должны соответствовать монтажным или эксплуатационным параметрам того или иного объекта и вноситься в автоматизированную систему контроля. В случае превышения заданных значений система должна давать информацию для принятия решения.
Несмотря на значительное разнообразие автоматизированных систем и методов наблюдений за деформацией зданий и промышленных сооружений, монтажа элементов строительных объектов различного исполнения и назначения, необходимо решение технологических вопросов по разработке информационно-измерительной системы, обеспечивающей автоматизацию управления технологическим процессом перемещения и установки строительных конструкций в процессе монтажа промышленных объектов, с последующим контролем деформаций земной поверхности и сооружений при их эксплуатации с использованием лазерных устройств, что позволит повысить производительность и безопасность маркшейдерских работ.
Актуальность настоящего диссертационного исследования вытекает из сложившегося противоречия между необходимостью прогнозирования поведения зданий и сооружений при изменении условий эксплуатации и обеспечения их безопасности – с одной стороны и отсутствием теоретических исследований процессов деформирования существующих сооружений с развивающимися трещинами или дефектами – с другой. Данное противоречие преодолевается развитием методологии создания математического и программного обеспечения для исследования процессов деформирования и разрушения зданий и сооружений и определения резервов их несущей способности при накоплении структурных повреждений.
Кроме того, разработка и развитие методов и подходов для проведения маркшейдерских инструментальных наблюдений за деформацией объектов строительства и их последующей эксплуатации на базе лазерных устройств имеют первостепенное значение, т.к. представляют собой актуальное научное направление и имеют практический интерес. Это позволит своевременно прогнозировать состояние объектов, оповестит о возможной чрезвычайной или аварийной ситуации на них, что будет способствовать принятию организационных и технических мер по предупреждению и устранению этих ситуаций.
О бъектом исследования является система «здание-фундамент-основание» (ЗФО) и аппаратно-программные средства информационно-измерительных и управляющих систем для осуществления процесса установки крупноблочных конструкций в проектное положение.
Предм етом исследования являются математические модели и их численные аналоги процессов деформирования и разрушения сооружений; разработка научно-методических основ оценки их несущей способности и безопасности под влиянием непроектных внешних воздействий, а также применение разработанных технических решений, технологических процессов и алгоритмов для определения геодезических координат и микродеформаций в различных плоскостях; прогнозирования и оценки надежности функционирования зданий и сооружений.
Цель работы состоит в создании научно-методических основ моделирования и аппаратно-программных средств информационно-измерительной и управляющей системы, направленных на разработку математической модели и ее численного аналога пространственной системы ЗФО и повышение уровня контроля деформаций зданий и сооружений, обеспечивающих автоматизацию процесса установки крупноблочных конструкций в проектное положение, возможность учета появления трещин в кирпичной кладке или железобетоне, что будет способствовать совершенствованию вычислительных технологий оценки решений в условиях возникновения воздействий, не предусмотренных первоначальным проектом, внедрение которых имеет существенное значение для решения проблемы безопасности зданий и сооружений.
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- разработать базовую математическую модель пространственной системы ЗФО для исследования напряженно-деформированного состояния элементов конструкций при различных внешних воздействиях, методику построения конечно-элементной модели системы ЗФО и разработать универсальную программу для построения и расчета типовых зданий для использования ее при проектировании новых и реконструкции существующих объектов строительства;
- определить математическую модель механического поведения кирпичной кладки в условиях сложного напряженного состояния, учитывающую структурные разрушения и деформационное разупрочнение для анализа процессов деформирования и разрушения несущих стен кирпичных зданий. Выполнить исследование и верификацию алгоритма решения задачи;
- создать новые технологические способы и технические решения в определении микросмещений точек исследуемых объектов в вертикальных и горизонтальной плоскостях, учитывающие особенности лазерных и фото- приемных устройств и обеспечивающих требуемую точность маркшейдерско-геодезических измерений;
- предложить модели по корректировке и фиксации объектов монтажа при маркшейдерско-геодезической оценке координат их положения с использованием лазерных приборов;
- провести анализ и расчет абсолютных и относительных погрешностей функциональных величин координатных оценок и их учет при управлении процессом производства работ;
- осуществить разработку схем, подбор приборного обеспечения, методов расчета системы автоматизированного контроля состояния и положения реперных точек исследуемых объектов с использованием лазерных устройств;
- выполнить экспериментальные исследования для получения данных по сопоставлению, оценке теоретических расчетов результатов экспериментов с данными геодезических измерений и факторами, на них влияющими при производстве горнопромышленных работ;
- применить разработанные технические решения, технологические процессы и алгоритмы для: определения геодезических координат и микродеформаций в различных плоскостях; прогнозирования и оценки надежности функционирования сооружений горнопромышленного комплекса.
Основу методологической и теоретической базы исследования составили научные труды отечественных и зарубежных авторов в области математического моделирования (С.П. Курдюмов, Г.Г. Малинецкий, А.А. Самарский, П.В. Трусов, Дж. Эндрюс, Р. Мак-Лоун и др.), механики деформируемого твердого тела (И.А. Биргер, В.Г. Зубчанинов, А.А. Ильюшин, Л.М. Качанов, А.С. Кравчук, А.И. Лурье, В.А. Ломакин, Н.Н. Малинин, В.В. Новожилов, Б.Е. Победря, Л.И. Седов и др.), численных методов (О. Зенкевич, Г.И. Марчук, Дж. Оден, Б.Е. Победря, Л. Розин, А. Сегерлинд, Г. Стренг, Ф. Сьярле, Дж. Фикс, Р.В. Хемминг и др.), механики разрушения материалов (В.Э. Вильдеман, Ю.В. Соколкин, А.А. Ташкинов, Я.Б. Фридман и др.), методов расчета строительных конструкций (С.М. Алейников, В.И. Андреев, А.Н. Бамбура, В.А. Барвашов, В.А. Ильичев, В.Г. Федоровский, Л.А. Бартоломей, О.Я. Берг, В.В. Болотин, Н.М. Герсеванов, М.И. Горбунов-Пассадов, Т.А. Маликова, Л.И. Онищик, А.В. Перельмутер, В.И. Сливкер, В.И. Соломин)
Методы исследований по созданию аппаратных средств информационно-измерительной и управляющей системы основаны на использовании теоретических положений по применению современных лазерных приборов, технических и технологических решениях, связанных с ними, применении теории автоматического управления, приборов и систем управления, теорий расчета лазерной техники и фотоприемнорегистрирующих устройств и инструментов, а также теории машин и механизмов и сопротивлении материалов и основ метрологии измерительной техники.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов обеспечивается корректной математической постановкой задач, использованием фундаментальных положений механики деформированного твердого тела и вытекающих из них формулировок математических моделей. Достоверность численных решений подтверждается совпадением результатов с экспериментальными данными. Во всех случаях подтверждена практическая сходимость вычислительного процесса и точность выполнения естественных граничных условий. Достоверность конечных результатов проверена успешной практической реализацией проектов независимо от автора по месту внедрения разработанных методик и программ.
Достоверность полученных тактико-технических характеристик автоматизированной измерительной и управляющей системы обусловлена и подтверждается корректным использованием достижений в областях лазерного приборостроения и применения его в теории автоматического управления при производстве маркшейдерско-геодезических работ, экспериментальной проверкой полученных результатов в лабораторных и промышленных условиях, сходимость которых составила 80%.
На защиту выносятся совокупность разработанных теоретических положений подходов, методов, алгоритмов и программных средств моделирования процессов деформирования и разрушения строительных сооружений при исследовании их безопасности, а также синтез систем автоматического управления, являющихся дальнейшим развитием теории и практики в автоматизации процессов монтажа строительных конструкций и маркшейдерско-геодезического контроля зданий и сооружений, в том числе:
- обоснование постановки задачи математического моделирования пространственной системы ЗФО для исследования напряженно-деформированного состояния элементов конструкций при различных внешних воздействиях, определяющих соотношениях и граничных условиях;
- разработка математической модели нелинейного механического поведения кирпичной кладки в условиях сложного напряженного состояния, учитывающая процессы накопления упруго-хрупких повреждений и закритического деформирования;
- автоматизация способов управления, корректировки, исполнения и фиксации элементов объектов строительства при маркшейдерско-геодезической оценке координат их положения и установки;
- разработка математической модели перемещения монтируемых конструкций, как объекта управления, и представление ее структурной схемы устойчивости и обоснование необходимости синтеза системы управления;
- принципы экстраполяции траектории движения конструкции в зависимости от наличия возмущений, позволяющие исключить перерегулирование при управлении, что обеспечивает перемещение конструкции с минимальной кривизной траектории и способствует повышению эксплуатационных характеристик строящихся сооружений;
- алгоритм управления процессом центровки конструкций, дающий возможность преобразовывать отклонения их центра от заданной лазерной опорной оси в соответствующие сигналы для двигателей механизмов радиального перемещения, обеспечивает надежное выполнение этой операции с точностью в 
мм;
- анализ и расчет абсолютных и относительных погрешностей функциональных величин координатных оценок и их учет при управлении процессом производства работ, с применением лазерных устройств, обеспечивающих необходимое быстродействие, зону контроля для управления мобильными объектами различного технологического назначения;
- разработка способа для определения микросмещений точек исследуемых объектов в вертикальных и горизонтальной плоскостях, обеспечивающих требуемую точность маркшейдерско-геодезических измерений.
Научную новизну исследования составляют:
- развитие методологии создания математического и программного обеспечения для исследования процессов деформирования и разрушения существующих зданий с развивающимися трещинами и дефектами при воздействиях, не предусмотренных при проектировании этих объектов;
- создание обобщающей математической модели механического поведения упруго-хрупкого материала кирпичной кладки в условиях сложного напряженного состояния с учетом процессов структурного разрушения и деформационного разупрочнения материала, отличающейся от известного тем, что изначально (и после разрушения) материал является ортотропным;
- раскрытие новых закономерностей процесса разрушения кирпичных строений для разработки комплекса показателей оценки безопасности в зависимости от физико-механических свойств материала кирпичной кладки и свойств нагружающих систем;
- применение лазерной техники для строительно-монтажных работ позволило создать референтное направления в виде ориентированной в пространстве прямой линии или плоскости (горизонтальной, вертикальной или наклонной), разработать визуальные и фотоэлектрические способы регистрации положения контролируемых точек в пространстве; изучить факторы, влияющие на деформацию и отклонение лазерного луча от заданного направления для введения соответствующих коррекций и разработать автоматизированные лазерные следящие системы с обратной связью;
- разработка новых технологических способов определения микросмещений точек исследуемых объектов в вертикальных и горизонтальной плоскостях, что позволило обеспечить требуемые точность и оперативность маркшейдерско-геодезических измерений;
