Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние исследований по обеспечению автоматизации строительно-монтажных работ 18
1.1. Особенности деформации массивов горных пород и их влияние на прочность и устойчивость строительных сооружений 18
1.2. Анализ и обобщение влияния промышленных работ на горный массив. Оценка устойчивого функционирования сооружений 21
1.3. Анализ проблемы безопасности строительных объектов 32
1.4. Основные причины и формы деформирования и разрушения многоэтажных зданий 35
1.5. Обоснование системного подхода к моделированию строительного объекта 39
1.6. Анализ существующих моделей расчета здания совместно с фундаментом и основанием 41
1.7 Аналитический обзор математических моделей описания механических свойств и критериев разрушения материалов системы ЗФО 45
1.7.1. Кирпичная кладка 49
1.7.2. Бетон и железобетон 55
1.7.3. Грунты 59
1.8. Обоснование выбора метода прочностного анализа зданий и сооружений и программного комплекса для его реализации 67
1.9. Обоснование состава и структуры частных задач исследования 71
1.10. Методы и приборы для маркшейдерско-геодезических наблюдений за деформациями горных пород и сооружений 73
1.11. Полученные результаты и выводы 83
1.12. Постановка цели и задач исследований 85
Создание базовой математической модели и ее численного аналога для прочностного анализа пространственной системы «здание-фундамент-основание», решение проблемы замыкания краевой задачи определяющими соотношениями 87
2.1. Разработка базовой математической модели для прочностного анализа пространственной системы «здание-фундамент-основание» 87
2.2. Обоснование выбора определяющих соотношений нелинейной упругости и пластичности для замыкания краевой задачи q4
2.2.1. Модель физически нелинейного упругого материала... 94
2.2.2. Модель деформационной теории пластичности 97
2.2.3. Теория пластического течения в расчетах грунтового основания 99
2.2.4. Модель пластического течения Друккера - Прагера 103
2.3. Разработка и применение моделей определяющих соотношений упруго-хрупких материалов с учетом структурного разрушения (накопления повреждений) 106
2.3.1. Модель упруго-хрупкого поведения бетона (железобетона) 106
2.3.2. Создание обобщающей математической модели механического поведения упруго-хрупких материалов (кирпичной кладки) 108
2.3.3. Определение критериев открытия - закрытия трещины 118
2.3.4. Описание модели разрушения упруго-хрупкого материала при сложном напряженном состоянии „.. 119
2.4. Разработка алгоритмов численной реализации нелинейных краевых задач 125
2.5. Полученные результаты и выводы 127
Разработка технологических средств оценки микросмещений строительных конструкций 129
3.1. Разработка технологических приемов применения лазерных устройств и приборов 129
3.2. Информационно управляющее обеспечение процесса позиционирования объекта 155
3.3. Полученные результаты и выводы 158
Разработка технологических средств для управления маркшей-дерско-геодезическими работами с использованием информа ционно-измерительных систем на основе лазеров 60
4.1. Разработка и исследование устройства корректировки положения объекта 160
4.2. Учет возмущающих воздействий 176
4.3. Параметры пространственно-временного положения объекта, как сигналы системы автоматического управления 186
4.4. Система автоматизированного управления перемещением строительных конструкций 212
4.5. Учет данных лазерных приборов в системах автоматизированного управления 219
4.6. Полученные результаты и выводы 226
Разработка системы автоматизированного управления технологическими процессами геодезических измерений 227
5.1. Монтажные операции 227
5.2. Экспериментальное исследования 235
5.3. Оценка погрешностей технических средств автоматизации 242
5.4. Полученные результаты и выводы 255
Контроль микродеформаций горных пород, являющихся основа ниями фундаментов строительных сооружений 257
6.1. Контроль микродеформаций горных пород и сооружений 257
6.2. Геометрические особенности деформаций горных пород и сооружений 260
6.3. Особенности средств контроля с применением лазерных устройств 265
6.4. Спутниковая геодезия для мониторинга напряжений и контроля деформаций 268
6.5. Полученные результаты и выводы 284
7. Экспериментальные исследования 285
7.1. Влияние интенсивности засветки ФПУ на величину выходного сигнала 285
7.2. Стендовые и промышленные испытания автоматизированной системы контроля микродеформаций массивов горных пород и сооружений 290
7.3. Структурная схема сканирующей оптико-электронной системы лазерного контроля деформаций 295
7.4. Описание приборов и алгоритмов формирования и обработки маркшейдерско - геодезических наблюдений 296
7.5. Полученные результаты и выводы 303
Заключение 304
Список литературы
- Анализ и обобщение влияния промышленных работ на горный массив. Оценка устойчивого функционирования сооружений
- Обоснование выбора определяющих соотношений нелинейной упругости и пластичности для замыкания краевой задачи
- Информационно управляющее обеспечение процесса позиционирования объекта
- Система автоматизированного управления перемещением строительных конструкций
Введение к работе
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 про-садочных 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, же-
7 лезобетона, 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
8 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.
Объектом исследования является система «здание-фундамент-основа-
9 ниє» (ЗФО) и аппаратно-программные средства информационно-измерительных и управляющих систем для осуществления процесса установки крупноблочных конструкций в проектное положение.
Предметом 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 слолсного 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 репер-ных 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 про
цессы и алгоритмы для: определения геодезических координат и микродефор
маций в различных плоскостях; прогнозирования и оценки надежности функ
ционирования сооружений горнопромышленного комплекса.
Основу методологической и теоретической базы исследования составили научные труды отечественных и зарубежных авторов в области математиче-
ского моделирования (СП. Курдюмов, Г.Г. Малинецкий, А.А. Самарский, П.В. Трусов, Дж. Эндрюс, Р. Мак-Лоун и др.), механики деформируемого твердого тела (И.А. Биргер, ВТ. Зубчанинов, А.А. Ильюшин, Л.М. Кочанов, 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 (СМ. Алейников, В.И. Андреев, АН. 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. Малшова, 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.
12 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%.
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 маркшей-дерско-геодезических измерений;
проектирование технических средств, основанных на особенностях лазерных излучателей и фотоприемнорегистрирующих устройств, позволяющих производить оценку координат, управление исполнением, перемещением и фиксацию элементов строительных конструкций;
разработка методик анализа и расчета абсолютных и относительных погрешностей функциональных величин координатных оценок и учета их при управлении процессом производства работ с применением лазерных устройств;
создание схем, технических решений, технологических приемов и алгоритмов, объединенных в автоматизированную систему контроля и управления строительными объектами и процессами, позволяющими более точно оценивать положения реперных точек исследуемых объектов и своевременно обнаруживать признаки, предшествующие возникновению чрезвычайных и аварийных ситуаций, для принятия оперативных мер по их предупреждению при производстве строительно-монтажных работ;
Практическая полезность исследования заключается в том, что в результате комплексных исследований на практике реализуются принципы и методы экспертных оценок безопасности поврежденных строительных конструкций на основе прогнозирования аварийных ситуаций и анализа деформационных ресурсов структурно-неоднородных материалов, решаются фундаментальные задачи по применению уточненного прочностного анализа, включающего оценку безопасности, ответственных конструкций на основе комплексного анализа факторов, влияющих на характер процессов развития дефектов и определяющих живучесть систем; создание аналитической информационной системы экспертных оценок аварийности поврежденных строительных конструкций.
Разработана автоматизированная система контроля монтажа крупно-
14 блочных строительных конструкций, позволяющая снизить затраты и сроки строительства. Выписана математическая модель монтажа крупноблочных строительных конструкций как объекта управления, которая позволяет обеспечить минимальные значения отклонений и кривизны траектории движения, что позволило повысить качество промышленного строительства и эксплуатационные характеристики возводимых сооружений и высокую точность их деформаций. При этом установлены зависимости тока засветки фотодиода от перемещения фотоприемного устройства в вертикальной, горизонтальной и продольной плоскостях.
Лазерные информационно - измерительные системы, разработанные на основе предложенных новых способов и технических решений, испытанные в лабораторных и натурных условиях, внедренные в производство, определяют траекторию движения конструкции с точностью 1...2 мм на 100 м, о чем свидетельствует хорошая сходимость расчетных и фактических параметров траектории (ошибка не превышает б %).
Разработаны алгоритм и программы обработки информации по слежению за смещением и деформацией сооружений и программы для САПР строительно-монтажными работами.
Реализация работы. Способ и система обнаружения и измерений микродеформаций приняты для использования на наблюдательных станциях «Мос-спецподземшахтопроходка», предприятиях ФГУП «Атомэнергопроект» Роса-тома и объектах ООО фирмы «Трансгидрострой» Московского строительного комплекса.
Применение методов математического моделирования с использованием ЭВМ позволило решать нестандартные задачи, возникающие при проектировании, реконструкции в условиях плотной окружающей застройки, снижать сроки строительства и повышать эффективность принятия проектных решений.
Результаты исследований используются в учебном процессе ГОУ ВПО «Московский государственный открытый университет» при изучении дисци-
15 плины «САПР в строительстве» студентами специальностей «Промышленное и гражданское строительство» и «Производство строительных конструкций».
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и получили одобрение на научных конференциях: Всесоюзной и международной зимние школы по механике сплошных сред (Пермь, 2003, 2005), VIII Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Пермь, 2001), Межведомственной конференции «Современные проблемы информационных технологий», (Москва, 1996); «Информационные технологии в горном и металлургическом производстве». Российской научной LV сессии, посвященной дню радио; «Радиотехника, электроника и связь на рубеже тысячелетия», (Москва, 2000); XXXVI Научной конференции РУДН, (Москва, 2000); Шестой научно-технической конференции «Информационные технологии в промышленности и учебном процессе», (Москва, 2001); Научно-техническая конференция «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт», (Новосибирск, 2002); Конференция научно-технических работников вузов и предприятий, (Новосибирск, 2003); Международная научно-техническая конференция «Программно-аппаратные средства для контроля технического состояния промышленных сооружений в условиях севера», (Тюмень, 2003); Международных научно-технических конференциях «Информационные технологии в инновационных проектах» (Ижевск, 2003-2004); Международном симпозиуме «Надежность и качество» (Пенза, 2004); VI Международный конгресс по математическому моделированию (Нижний Новогород, 2004); 6th international conference «Vibroengineering 2006» (Каунас, Литва, 2006); 2-ая Международная научно-практическая конференция «Новые технологии и автоматизированные системы в строительстве», (Москва, 2006), Международной научно-технической конференции «Многопроцессорные вычислительные и управляющие системы» (пос. Дивноморское, Краснодарский край, 2007).
Публикации. Основные научные результаты по теме диссертации опубликованы в 46 научных работах общим объемом 82,66 п.л., в том числе автор-
ские - 49,6. Автор имеет 12 научных трудов в издании, выпускаемом в РФ и рекомендуемом ВАКом для публикации основных результатов диссертаций.
Структура диссертационной работы определяется общими замыслом и логикой проведения исследований. Диссертация содержит введение, 7 глав и заключение, изложенные на 336 страницах машинописного текста, включает 89 рисунков, 18 таблиц, список литературы из 353 наименования. В приложении к диссертации приведены документы, подтверждающие использование результатов работы и их эффективность.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении сформулирована актуальность рассматриваемых вопросов, обосновывается ее значимость, перечисляются основные цели и задачи диссертационной работы, приводятся научные положения и результаты, выносимые на защиту, излагается краткое содержание диссертации.
В первой главе приведена общая характеристика зданий и сооружений, представляющих собой сложные многоэлементные системы с неоднородной структурой и различными прочностными и деформационными характеристиками элементов конструкций и связей между ними. Обсуждаются актуальность проблемы безопасности строительных объектов и необходимость разработки критериев и параметров нормирования безопасности. Проводится анализ существующих математических моделей и методов расчета сооружений и обосновывается необходимость совместного расчета здания, фундамента и деформируемого грунтового основания как единого целого.
Во второй главе рассматривается создание базовой математической модели и ее численного аналога для прочностного анализа пространственной системы ЗФО и численного прогнозирования свойств кирпичной кладки.
Третья глава диссертации посвящена анализу и разработке технологических способов маркшейдерско-геодезических измерений, учитывающих особенности лазерных приборов и фотоприемных устройств при контроле деформаций горнопромышленных объектов и перемещении монтируемых конструк-
17 ций в пространстве. Разработка технологических приемов применения лазерных устройств и приборов.
В четвертой главе разработаны технические устройства, способы корректировки, исполнения и фиксации объектов при маркшейдерско-геодезичес-ком контроле координат их положения или установке, а также методов анализа расчета абсолютных и относительных погрешностей функциональных величин координатных оценок и учета их при управлении процессом производства работ с применением лазерных устройств.
Пятая глава посвящена разработке схем, технических решений, технологических приемов и алгоритмов автоматизированного управления объектами и процессами, а также экспериментальным исследованиям для получения данных по оценке и сопоставлению теоретических расчетов, результатов экспериментов по параметрам маркшейдерско-геодезических координат и факторам, на них влияющим при производстве горнопромышленных работ.
В шестой главе разработаны схемы и методы расчета системы автомати-зированного контроля состояния и положения реперных точек исследуемых объектов с использованием лазерных устройств. Осуществлен подбор приборного обеспечения, а также описано применение разработанных технических решений, технологических процессов, алгоритмов для определения геодезических координат и микродеформаций в различных плоскостях с учетом факторов, на них влияющих на строительных объектах.
Седьмая глава посвящена экспериментальным исследованиям различных объектов по определению микродеформаций и перемещений на основе использования приборов с устройствами, излучающими лазерный луч и его регистрирующими в зависимости от отклонений.
В заключении сделаны выводы о проделанной работе.
Анализ и обобщение влияния промышленных работ на горный массив. Оценка устойчивого функционирования сооружений
В последнее время к природным катаклизмам прибавились чрезвычайные ситуации, техногенные катастрофы и экологические бедствия, с тяжелыми и опасными для жизни людей последствиями. Сама среда обитания оказывает механическое воздействие на человека, которое может привести как к незначительным повреждениям, так и к полному разрушению сооружений и трагическим последствиям (табл. 1.4).
Особенно чувствительны к различным воздействиям и деформациям сложные гидротехнические объекты (плотины, шлюзы, дамбы, мосты), подземные сооружения различного назначения (шахты, тоннели, стволы шахт, скважины, ускорители, захоронения отходов), высотные сооружения (копры, башни, трубы и вышки).
Высокая концентрация людей, зданий и сооружений, инфраструктуры городов, промышленных объектов порождает огромную нагрузку на геологическую среду, вызывая ее изменение и преобразование. В свою очередь геологическая среда «реагирует» на внешние воздействия, что негативно сказывается на состоянии зданий и сооружений и другой инфраструктуры. Наиболее распространенным видом воздействия является статические нагрузки на толщу пород от веса зданий и сооружений. Величина этой нагрузки изменяется по мере роста этажности зданий и плотности застройки территорий, применяемых строительных материалов, и составляет 0,01 - 0,5 МПа.
Мощным фактором воздействия на геологическую среду городов и больших мегаполисов является строительство подземных сооружений. Возведение и эксплуатация подземных объектов ведется в условиях интенсивного водоотлива от строящихся сооружений, вызывающего снижение гидростатических напоров и статических уровней горизонтов подземных вод. Проявляющие себя неоднозначно, водоносный горизонт и горный массив являются зоной наибольших смещений, имеющие свою периодичность (сезонность).
Любое нарушение гидростатического режима ведет к деформационным процессам массива горных пород, зданий и сооружений. Движение подземных вод в однородной водоносной толще в общем случае является неустановившемся, т.е. переменным во времени. Если условия питания и разгрузки подземных вод изменяется во времени незначительно, то его можно рассматривать как установившееся (стационарное). В естественных условиях этот процесс имеют сложный характер.
Поэтому вопросы сдвижения массива горных пород, деформации зданий и сооружений необходимо рассматривать с позиций изучения процессов происходящих, как в твердой, так и жидкой средах (порода + вода).
Наиболее полно изучен процесс сдвижения горных пород при открытых разработках. В нашей стране эти работы сосредоточены во ВНИМИ, ИГД им. А.А. Скочинского, ГИПРОЦветмете, ВНИПИГорцветмете, Московском государственном горном университете, Южно-Российском государственном университете. Теоретические и методические достижения в вопросах оценки сдвижения породных массивов при подземной и открытой разработки месторождений стали возможны благодаря работам отечественных ученых - С.Г. Авершина, Н.В. Мельникова, В.В. Ржевского, М.М. Протодъяконова, К.Н. Трубецкого, Г.Л. Фисенко, A.M. Гальперина, В.М. Гудкова, М.А. Иофиса, В.Н. Попова, И.И. Попова, A.M. Демина, В.И. Борщ-Компониеца, В.Г. Затеева, В.М. Калиниченко, Д.А. Козловского, Ю.А. Каш-никова, А.И. Ильина, С.Л. Нодиева, М.А. Ревазова, Ю.И. Туринцева, М.Е. Певзне-ра, В.А. Гордеева, A.M. Галкина, В.Т. Сапожникова, А.И. Арсентьева, Ю.И. Анист-ратова, Ф.К. Низаметдинова, П.С. Шпакова, Ю.П. Юматова и других.
Нормативными документами регламентируются достаточно надежные расчеты устойчивости бортов, но процесс деформирования бортов карьеров в инженерно-геологических условиях развивается по-разному, неодинаково завершается и заключительная стадия разрушения прибортового массива. Предельные величины деформаций для существующих типов и комплексов пород различны. Разрушение пород происходит по достижении определенной величины деформации, характерной для каждого типа и комплекса пород. Можно предполагать, что эти смещения в пределах зоны сдвижения изменяются линейно от «О» до максимального значения вблизи обнажения водного горизонта. Наблюдения за устойчивостью бортов карьеров подтверждают это предположение.
Наиболее доступным и распространенным средством контроля за деформациями прибортового массива являются маркшейдерские инструментальные наблюдения за смещениями реперов на профильных линиях, заложенных на поверхности, примыкающих к борту карьера, и на бермах уступов. Деформационные процессы, установленные по результатам натурных наблюдений, обретают особое значение, если имеется возможность сравнить наблюдаемые деформации с предварительно рассчитанными, что дает возможность заблаговременно распознать процесс деформирования и своевременно провести противооползневые мероприятия по предотвращению разрушения прибортовых массивов. Если прибортовой массив ослаблен в основании борта, то развитие смещений в нем отличается рядом характерных признаков (рис. 1.2) [102].
В скрытой стадии развития оползня-надвига в прибортовом массиве формируется клин активного давления BCDE и призма упора ABE, проявление которых фиксируется по направлению векторов смещения наблюдаемых реперов. Поверхность скольжения DEA, отделяющая всю призму обрушения от устойчивой части массива, имеет сложную форму. Зона деформаций за пределами призмы обрушения по поверхности прибортового массива распространяется на величину до 1,5Н, а изолинии смещения в зоне EDFF имеет плавный криволинейный вид. Ширина призмы обрушения изменяется в различных условиях от 0 до (0.4-06)Н. Расчет смещений поверхности при бортового массива при развитии оползня-надвига аналогичен для однородного откоса и приведены на рис. 1.3.
Обоснование выбора определяющих соотношений нелинейной упругости и пластичности для замыкания краевой задачи
Для анализа безопасности требуется разработать математическую модель сооружения, которая позволяла бы описывать напряженно-деформированное состояние элементов конструкций от различных внешних воздействий (силовых и кинематических), оценивать вероятность возникновения и процесс развития трещин, определять резерв несущей способности сооружения. Модель каждого проектируемого объекта является одновременно и частью модели целого класса объектов, ее уточнением и конкретизацией значений ее параметров применительно к заданным локальным характеристикам внешней среды.
Содержательная постановка задачи моделирования. Для определенности рассмотрим многоэтажное кирпичное здание, какими застроены многие микрорайоны российских городов. Само здание представляет собой пространственную систему с несущими стенами (продольными или поперечными), выполненными из кирпича, железобетонными перекрытиями и покрытиями, оконными и дверными проемами. Материал стен - кирпич, а точнее, кирпичная кладка, которая представляет собой композит, состоящий из кирпича и раствора (в некоторых случаях армированного сеткой). Фундамент - ленточный или плита - выполнен из железобетона. Грунтовое основание может быть неоднородным по структуре, как по глубине, так и по длине и ширине здания.
Расчет таких зданий в соответствии с нормативными документами по проектированию жилых зданий [190] проводится на действие статических нагрузок, таких как собственный вес несущих стен здания, перекрытий, временная нагрузка на перекрытия, в некоторых случаях - учитываются временные нагрузки (ветровые и снеговые). Основную опасность для таких зданий представляют неравномерные осадки основания, которые в каждом конкретном лучае могут быть вызваны разными причинами.
Совместная деформируемость здания и основания еще больше осложняется естественной неоднородностью (т.е. зависимостью свойств от пространственных координат) и анизотропностью грунтового массива (т.е. различными физико-механическими свойствами грунта в различных направлениях), нерегулярностью самого сооружения, перераспределением контактных напряжений по подошвам разных фундаментов в результате изгиба и кручения здания, изменением жесткости здания при появлении в нем дефектов и трещин и другими факторами. При неоднородном напластовании слоев грунта на неоднородность, вызываемую напряженным состоянием от веса сооружений, накладывается неоднородность от неодинаковой деформируемости отдельных слоев грунта.
Неравномерные осадки основания и, как результат этого, деформации надземных конструкций, а соответственно и трещины в несущих стенах зданий, могут быть также вызваны следующими причинами:
- увеличением нагрузок на основание при строительстве нового здания вблизи застройки или при пристройке к существующему зданию новых зданий и сооружений, если активные зоны под их фундаментами накладываются друг на друга, вызывая дополнительные вертикальные деформации грунта основания и здания; при надстройке здания;
- нарушением технологического процесса при возведении зданий (промораживание основания грунтов под подошвой фундаментов, недостаточная глубина заложения фундаментов в пучинистых грунтах, недостаточная ширина подошвы фундаментов, засыпка пазух фундаментов строительным мусором, низкое качество кладки кирпичных стен);
- неправильной эксплуатацией жилых зданий. Износ трубопроводов горячей, холодной воды и отопления, протечки канализации приводят к постоянному замачиванию грунтов основания фундаментов;
- недостаточно полными инженерно-геологическими изысканиями, в результате которых могут быть пропущены отдельные линзы слабых грунтов
(пылеватых, илистых, торфяных), карсты и воздействие карстовых суффозион-ных процессов с возможным образованием провальных воронок в зоне расположения зданий и сооружений;
- возведением зданий и сооружений на территории бывших оврагов и глубоких выемок, засыпанных строительным мусором и посторонними предметами;
- недоучетом особенностей вечномерзлых грунтов и изменений их прочностных характеристик под влиянием сезонного оттаивания верхнего деятельного слоя;
- откачкой и понижением уровня грунтовых вод при недостаточном креплении стенок котлована, что нередко влечет за собой вынос грунта из-под фундаментов близко расположенных зданий.
- изменением физико-механических свойств грунтов при подъеме или понижении уровня грунтовых вод, при благоустройстве территории (отводе подземных вод в систему коллекторов или наоборот, спуске на территорию строительства агрессивных производственных вод, проникающих в грунт и действующих отрицательно на подземные конструкции; при авариях подземных коммуникаций (водопровода, канализации, горячего водоснабжения);
Концептуальная постановка задачи моделирования. Пространственная система «здание-фундамент-основание» (ЗФО) схематично изображена на рис. 2.1. Отнесем систему ЗФО к прямоугольной декартовой системе координат х{ (і = 1,2,3), начало которой совпадает с угловой точкой здания. Будем считать трехмерную сплошную среду - систему ЗФО, занимающую объем V, ограниченный поверхностью Г, состоящей из объемов элементов здания (V\), фундамента (V-i) и грунтового основания (К3), т.е. V - Vx и V2 и г.
Информационно управляющее обеспечение процесса позиционирования объекта
Разработанные лазерные системы автоматизации обеспечивают непрерывность координатных измерений в течение всего технологического цикла строительства сооружений. Использование время - импульсных методов и цифровое представление информации делают необходимым реализацию подобных систем на базе микро-ЭВМ [44, 92, 157, 244, 251, 253, 263].
Анализ алгоритмов расчета составляющих не вертикальности подъема и требований к скорости их выполнения показал, что системы автоматизации координатных измерений наиболее целесообразно строить на базе серийно выпускаемого и широко применяемого микропроцессорного комплекта К1810. При относительно невысокой стоимости, микро-ЭВМ на основе процессора К1810ВМ88 обладает достаточными для данных условий быстродействием, объемом адресуемой памяти и помехозащищенностью. Такая микро-ЭВМ программно совместима с IBM PC, Pentium и обладает 640 кБ оперативной памятью, 8 кБ ПЗУ, из которых 4 кБ - для эксплуатационной программы. Отладочный комплекс снабжается контроллером накопителей на магнитных дисках и дисководами. Отлаженная в лабораторных условиях программа записывается в ПЗУ и поставляется на рабочую площадку с эксплуатационным оборудованием, включающим в себя монитор и клавишный пульт для взаимодействия с оператором [7, 193, 263].
Функциональная схема микропроцессорной системы (МПС) обработки информации приведена на рис. 3.15. Она выполняет следующие основные операции: - измеряет смещения контролируемой точки ДХ, AY относительно сканирующего лазерного луча; - воспринимает значения входных параметров вводимых через клавиатуру, например, радиус сканирования R лазерного задатчика вертикали, диаметр изделия и т.п.; - вырабатывает воздействия на исполнительные органы в соответствии с внесенным алгоритмом управления; - микро-ЭВМ можно использовать как вычислительное устройство для обработки данных при выполнении различных расчетов, когда она не используется для выполнения названных операций.
Расчет временных интервалов между пересечением фотоприемников лазерным излучением выполняется при помощи таймера (рис. 3.15), непосредственно связанного с шиной компьютерной системы. Он включает в себя три отдельных счетчика импульсов с синхронизированными входами CLKO, CLK1,
CLK2 и вентильные сигнальные входы, которые возбуждают или прекращают процесс отсчета значений временных интервалов tx, t2. Импульсы с фотоприемного устройства поступают через триггеры Шмидта на попеременно открываемые и закрываемые R-S триггеры, осуществляющие формирование временных интервалов. центра строительных конструкций
На рис. 3.16 приведена блок-схема алгоритма расчета значений координат ДХ и АУ контролируемой точки. Сигналы, пропорциональные вычисленным значениям координат, обрабатываются в соответствии с выбранным для конкретной опалубки алгоритмом расчета составляющих не вертикальности подъема, реализуемом на базе этой же микро-ЭВМ.
Недостатками визуальных приборов являются трудности организации контроля положения строительных конструкций монтажниками, всегда необходимо присутствие геодезиста, дающего соответствующие указания рабочим.
Лазерные приборы позволяются избавиться от этих недостатков. Системы, задающие опорные световые луч и плоскость, позволяют свести съем информации непосредственно к объекту, т. е. монтажники сами устанавливают конструкции относительно референтной оси и плоскости.
Решение той или иной задачи в области геодезического обеспечения может проводиться при наличии определенного комплекта специальных механических, оптических и электронных блоков. Такие устройства разрабатываются в зависимости от типа строительных конструкций и видов геодезических и строительно-монтажных работ.
Разработка информационно-измерительных систем оптического диапазона осуществляется при комплексном учете всех действующих факторов.
Основные показатели при определении эффективности целесообразности применения лазерной техники: повышение качества строительно-монтажных и геодезических работ; повышение производительности труда, сокращение сроков строительства и уровня механизации этих работ.
Система автоматизированного управления перемещением строительных конструкций
В настоящее время существуют различные методы теории оптимального управления, призванные построить наилучшую в смысле некоторого критерия систему. Все они решают задачи программирования оптимальных траекторий или синтеза корректирующих устройств, которые следует рассматривать как задачи о реализации оптимальных траекторий [126, 218, 223,231, 237]. Однако весьма сложным является вопрос выбора функционала и даже для стационарных систем решение задачи синтеза оптимальных регуляторов связано с определенными трудностями, особенно в вычислительном отношении [39, 80, 81, 84, 118, 140,176, 302].
В ряде случаев более простое решение может быть получено путем выбора обратной связи системы таким образом, чтобы замкнутая система управления имела заданный спектр собственных чисел характеристического уравнения. Этот подход к синтезу систем управления является результатом развития задачи о степени устойчивости системы [37, 39, 40, 45, 46, 80, 81, 240, 250, 306]. Количественные ограничения накладываются на полные величины корней характеристического уравнения системы, а не только на их действительные части. Такой подход не относится к разряду задач оптимизации, это алгебраическая задача, позволяющая построить систему с заданным спектром. Однако между ним и задачами оптимизации существует прямая связь: каждому оптимизирующему функционалу соответствует определенный спектр замкнутой системы и наоборот.
Данная математическая модель монтажа позволяет рассматривать ее как конечномерный линейный стационарный объект и осуществить синтез системы управления рассмотренным методом, получившим название модального управления. В соответствии со схемой (рис. 4.29.), один из четырех идентичных каналов объекта управления описывается системой дифференциальных уравнений: A =K6-K&-S; (4.49) s =vs, V;=K3(F-K4VS-K6-K7-S); F = T-l(KYK2U-F). Приняв для переменных состояния объекта обозначения: Хх = А, Х2 = 5, X3=VS, Х4 = F, запишем систему в виде одного матричного уравнения
На структурной схеме (рис. 4.23) видно, что при корректировке смещения опалубки происходит суммирование сил, развиваемых гидроцилиндрами, расположенными по двум сторонам, а при корректировке поворота и деформации - по четырем сторонам. Поэтому коэффициенты обратной связи по смещению опалубки принимаются равными половине т,, а по повороту и деформации - четверти т х. Таким образом, закон регулирования имеет вид U = -mxXx. (4.57)
Непосредственный расчет координаты А, характеризующей положение опалубки на уровне формообразования поверхности стен сооружения, не представляется возможным, т.к. контролируемые точки являются источником ин 218 формации об отклонениях рабочего пола опалубки - Х0. Значение координаты Х0 определяется из выражения X0=A + S. (4.58)
Расстояние между точкой формообразования и верхней кромкой щитов, совпадающее с плоскостью рабочего пола, принято за h, которое в среднем составляет 0,6 м и лежит в пределах 0,4...0,8 м. Для обеспечения устойчивости системы необходимо, чтобы h не превышала реального значения.
Оценить значение координаты D можно с помощью вычислителя оценок координат (ВОК), позволяющего сделать это по информации о положении конструкции: Из (4.49) имеем А = КвКь5. С учетом (4.58), передаточная функция ВОК имеет вид W Mfl , , (4.59) где - коэффициент запаса, выбираемый с расчетом, чтобы h не превысило реального значения.
Исследование синтезированной САУ методом математического моделирования позволило проверить работоспособность регулятора, полученного для линеаризованной модели объекта, при использовании его в системе управления, включающей в себя полную модель объекта со всеми нелинейностями и внутренними обратными связями.
Для того чтобы одновременно управлять смещением, поворотом и деформацией конструкции, были введены ограничения на сигналы, поступающие с регулятора. Управляющие сигналы формируются по закону, описываемому по следующему алгоритму:
Для создания САУ необходимо решить два основных вопроса: обеспечить одинаковые уровни установки конструкции и автоматизировать процесс их перемещения в процессе установки [48, 81, 208, 66-69]. Система конструкции (место установки) можно рассматривается как трехмерный объект управления с множеством регулирующих органов.
Чтобы при перемещении конструкции по вертикали не происходило горизонтального смещения ее рабочего поля, следует обеспечить одинаковые значения подъема всех точек ее закрепления. Этого можно добиться путем синхронизации скорости приводов электромеханических подъемных устройств. Использование такого принципа построения системы управления позволяет избавиться от дополнительных механических напряжений и деформаций, возникающих при перекосах в системе закрепления конструкций, и получить необходимую точность подъема. Аппаратура управления может быть реализована с использованием серийно выпускаемых промышленных блоков и узлов [29, 225, 226].
Так как в системах электроприводов строительных кранов и иных механизмов перемещения наибольшее распространение получили асинхронные коротко-замкнутые электродвигатели, то регулирование скорости целесообразно осуществлять путем изменения действующего значения напряжения питания. Для коммутации статорных цепей двигателей целесообразно использовать тиристоры, которые при фазовом управлении выполняют не только функции бесконтактных пускателей, но и регуляторов переменного напряжения, подводимого к двигателю.
Преобразование действующего значения напряжения в тиристорных регуляторах осуществляется фазово-импульсным методом. При изменении управляющего напряжения, подаваемого на вход управления тиристорного регулятора, отмечается время запаздывания управляющего импульса, подаваемого на управляющий электрод тиристора, относительно момента прохождения напряжения фазы через ноль. Таким образом, осуществляется изменение угла открытия тиристоров и, как следствие, преобразование действующего значения напряжения, подаваемого на электродвигатель.
Для реализации такого способа синхронизации скорости устройств перемещения наиболее рационально использование многоконтурной системы регулирования, охваченной общей обратной связью. В целом система управ
ления представлять собой САУ, состоящую из системы внутренних контуров и одного внешнего, т.к. для подъема рабочего поля применяется подъемное устройство, снабженное системой домкратов. Каждый внутренний контур предназначен для автоматической стабилизации и регулирования в соответствии с сигналами внешней обратной связи по скорости вращения электропривода механизмов перемещения. В соответствии с этим, каждый внутренний контур регулирования можно рассматривать как самостоятельную систему регулирования, для которой сигнал внешней обратной связи служит задающим воздействием, а скорость вращения управляемого электропривода является регулируемой величиной.
