Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ методов мониторинга технического состояния несущих конструкций зданий и сооружений при неравномерных деформациях основания 13
1.1. Анализ причин возникновения деформаций сооружений в ходе проведения строительства и эксплуатации объектов в сложных инженерно-геологических условиях 13
1.1.1. Система «основание-сооружение» 13
1.1.2. Неравномерные деформации основания и их влияние на систему «основание-сооружение » 16
1.2. Анализ содержания мониторинга технического состояния конструкций сооружений при неравномерных деформациях основания.. 22
1.2.1 Перечень и содержание работ в составе мониторинга при контроле изменений технического состояния конструкций сооружений 22
1.2.2. Анализ основных проблем мониторинга технического состояния конструкций сооружений 25
1.2.3. Анализ методов и средств мониторинга технического состояния конструкций сооружений при неравномерных деформациях основания 26
1.2.3.1. Автоматизированный мониторинг технического состояния конструкций сооружений в непрерывном режиме 27
1.2.3.2. Периодический мониторинг технического состояния конструкций сооружений 28
1.2.3.3. Технические средства мониторинга нагрузок, напряжений и деформаций в конструкциях сооружений 31
1.2.3.4. Динамические методы мониторинга технического состояния конструкций сооружений 36
1.2.3.5. Геодезические методы контроля технического состояния конструкций сооружений 37
1.3. Анализ методов оценки влияния неравномерных деформаций основания на техническое состояние конструкций сооружений 42
1.3.1. Визуально-нормативная оценка влияния неравномерных деформаций основания на техническое состояние конструкций сооружений 42
1.3.2. Численная оценка влияния неравномерных деформаций основания на техническое состояние конструкций сооружений по результатам проверочных расчетов 48
1.4. Оценка напряженно-деформированного состояния (НДС) конструкций сооружений на основе численного анализа 50
1.4.1. Ручной и автоматизированный численный анализ НДС конструкций сооружений 50
1.4.2. Обзор современных программных комплексов расчета строительных конструкций 52
1.4.3. Роль МКЭ-моделирования в системе мониторинга технического состояния конструкции сооружений 55
Выводы по главе 1 57
Глава 2. Геодезический мониторинг пространственных деформаций зданий и сооружений 59
2.1. Обзор традиционных геодезических методов измерения деформаций сооружений 59
2.2. Пространственно-координатная (ПК) съемка деформаций объектов мониторинга 62
2.3. Общие принципы построения ПК-моделей контроля деформаций объектов мониторинга 65
2.3.1. Выбор контролируемых узлов ПК-модели 65
2.3.2. Требования к построению опорной геодезической сети 68
2.3.3. Технология изготовления и установки деформационных и осадочных марок 70
2.4. Использование усовершенствованных методов измерений про
странственных координат в условиях стесненного доступа 72
2.4.1. ПК-съемка в условиях стесненного доступа 72
2.4.2. Сферические отражатели для измерения пространственных координат 74
2.5. Мониторинг пространственных деформаций контролируемых узлов ПК-модели 76
2.6. Обоснование требований к точности измерений для определения деформаций ПК-моделей 82
2.6.1. Требования к точности измерений деформаций при проведении ПК-съемки 82
2.6.2. Расчеты точности измерений при проведении ПК-съемки ... 84
2.7. Анализ точности измерений деформаций ПК-моделей 89
2.7.1. Определение возможности применения различных типов электронных тахеометров для измерения деформаций ПК-моделей 89
2.7.2. Характеристики точности нивелиров 91
2.8. Математическая обработка результатов измерений при ПК-
съемке 93
2.8.1. Уравнивание результатов измерений 93
2.8.2. Нестрогое уравнивание планово-высотных сетей 93
2.8.3. Строгое уравнивание планово-высотных сетей 94
2.9. Технология автоматизированного построения ПК-моделей 97
Выводы по главе 2 100
Глава 3. МКЭ-оценка напряженно-деформированного состояния несущих конструкций объектов мониторинга 103
3.1. Применение МКЭ для оценки НДС конструкций сооружений 103
3.1.1. Формулировка МКЭ и основные особенности его реализации 103
3.1.2. Общие принципы построения и расчета МКЭ-моделей сооружений 112
3.2. Особенности МКЭ-анализа НДС конструкций эксплуатируемых сооружений 120
3.2.1. Основные отличия построения МКЭ-моделей проектируемых и эксплуатируемых сооружений 120
3.2.2. Требования к построению МКЭ-модели объекта мониторинга 121
3.3. Особенности МКЭ-анализа НДС конструкций объекта мониторинга 124
3.3.1. Соответствие ПК и МКЭ-моделей 124
3.3.2. Проблема ввода данных геодезических измерений в МКЭ-модель 126
3.3.2.1. Интерполяция значений узловых перемещений 126
3.3.2.2. Выбор интерполяционных функций 129
3.3.2.3. Расчет МКЭ-модели на действие наложенных перемещений 137
3.3.3. Формирование системы контролируемых блоков МКЭ-
модели 139
3.4. Математический аппарат оценки влияния зарегистрированных перемещений на НДС конструкций 140
3.4.1. Общая методология решения задачи 140
3.4.2. Использование полуитерационного многосеточного метода.. 141
3.5. Подготовка данных мониторинга к использованию в МКЭ-системе 144
3.6. Анализ результатов МКЭ-расчета 148
3.6.1. Визуализация результатов МКЭ-расчета 148
3.6.2. Общие принципы оценки НДС конструкций 149
3.6.3. Обработка числовой информации и оценка НДС конструкций по контролируемым блокам 150
3.6.4. Дополнительные возможности использования текущей МКЭ-модели сооружения 155
3.7. Используемое программное обеспечение 156
3.7.1. Общие требования к расчетным комплексам 156
3.7.2. Расчетный комплекс Stark ES и его возможности в решении поставленной задачи 158
Выводы по главе 3 160
Глава 4. Практическое использование результатов исследований 162
4.1. Здание многофункционального центра «Альфа Арбат Центр» 162
4.1.1. Цель работы 162
4.1.2. Состав работ по мониторингу технического состояния конструкций здания 162
4.1.3. Обследование технического состояния конструкций здания 163
4.1.3.1. Основные архитектурные и конструктивные особенности здания 163
4.1.3.2. Результаты визуального и инструментального об
следования технического состояния несущих конст рукций 165
4.1.4. Геодезический мониторинг пространственных деформаций здания 167
4.1.4.1. Мониторинг перемещений внешних контролируемых узлов ПК-модели 167
4.1.4.2. Мониторинг осадок внутренних контролируемых узлов ПК-модели 171
4.1.4.3. Анализ результатов геодезического мониторинга 172
4.1.5. Оценка НДС состояния конструкций здания 174
4.1.5.1. Исходные данные для МКЭ-расчета 174
4.1.5.2. Построения МКЭ-модели здания в StarkJES 176
4.1.5.3. Анализ результатов расчета базовой МКЭ-модели здания 177
4.1.5.4. МКЭ-моделирование влияния осадочных процессов на НДС конструкций здания 181
4.1.5.5. Анализ результатов расчета текущей деформацион ной МКЭ-модели здания на действие наложенных перемещений 184
4.2. Возможности применения ПК-моделей для объектов других типов 187
Выводы по главе 4 189
Основные выводы и рекомендации 190
Список литературы
- Неравномерные деформации основания и их влияние на систему «основание-сооружение
- Общие принципы построения ПК-моделей контроля деформаций объектов мониторинга
- Расчеты точности измерений при проведении ПК-съемки
- Основные отличия построения МКЭ-моделей проектируемых и эксплуатируемых сооружений
Введение к работе
Актуальность исследования. Для современного этапа экономического и общественного развития в России характерно расширение строительного производства и проведение масштабного строительства в крупных городах -мегаполисах, в первую очередь, в Москве и Санкт-Петербурге, сопровождающееся постоянным ростом сложности возводимых объектов и условий, в которых осуществляется их строительство. Это неизбежно порождает новые задачи, связанные с обеспечением безопасной жизнедеятельности в условиях мегаполиса, определяющейся, во-первых, надежностью самих строящихся сооружений, и, во-вторых, влиянием проводимого строительства на уже существующую инфраструктуру.
Современные тенденции в строительстве, а именно - увеличение этажности зданий, уплотнение городской застройки, стесненность строительных площадок, освоение подземного пространства, насыщение инженерными коммуникациями неизменно приводят к возникновению и последующему увеличению негативного техногенного воздействия проводимого строительства на уже построенные объекты, расположенные в прилегающих зонах.
Как показывает опыт, одной из основных проблем эксплуатации зданий и сооружений в крупных городах является возможность их повреждения в результате неравномерных деформаций грунтового основания. Сложные инженерно-геологические условия зон застройки являются при этом основной причиной нестабильности оснований как строящихся, так и существующих объектов, что увеличивает риск потери их несущей способности. В связи с этим особое значение приобретает проблема контроля технического состояния несущих конструкций сооружений с целью предупреждения возникновения аварийных ситуаций и обоснованность выбора комплекса инженерных мероприятий по их недопущению. При этом очевидно, что контроль технического состояния несущих конструкций должен носить систематический характер и позволять осуществлять оценку происходящих изменений на основе количественных критериев, т.е. базироваться на процедурах выявле-
ния соответствия фактической прочности, жесткости и устойчивости конструктивных элементов нормативным требованиям.
Для зданий и сооружений, подверженных риску повреждений от внешних воздействий, контроль технического состояния несущих конструкций необходим в течение всего периода возможного проявления деформационного воздействия, что нашло отражение в ряде документов, нормирующих проведение строительства в крупных городах. Тем не менее, на сегодняшний день единой рекомендованной нормами методики, позволяющей эффективно предупреждать возникновение аварийных ситуаций, не существует.
Нормативными документами установлены предельно допустимые величины совместных осадок (кренов) оснований и сооружений для весьма ограниченного количества типов конструктивных схем зданий и сооружений. В большинстве случаев неравномерные деформации основания носят сложный пространственный характер, вызывающий, в свою очередь, пространственные деформации всего сооружения, и для получения полной и объективной картины их влияния на техническое состояние конструкций необходимо использовать дополнительные численные критерии оценки их напряженно-деформированного состояния (НДС). Однако методика перехода от параметров пространственного деформированного состояния сооружения к усилиям, возникшим в конструктивных элементах в результате деформационного воздействия; на сегодняшний день не разработана. Устранение этого пробела является актуальным для оценки изменения технического состояния конструкций, испытывающих деформационные воздействия.
В целом актуальность темы диссертации определяется практической необходимостью создания обоснованной методики объективной оценки технического состояния несущих конструкций строительных объектов, испытывающих внешние деформационные воздействия, которая позволила бы с высокой достоверностью прогнозировать и предупреждать появление и развитие аварийных ситуаций.
Целью диссертации является разработка эффективной методики оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) несущих конструкций зданий и сооружений, подверженных влиянию неравномерных деформаций основания, в ходе мониторинга их технического состояния с использованием современных информационных технологий получения и обработки данных.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
Разработана методика оценки технического состояния несущих конструкций сооружений по результатам периодического мониторинга, в состав которого входят выборочное обследование технического состояния конструкций, геодезические измерения пространственных деформаций сооружения, численный анализ методом конечных элементов (МКЭ) изменения НДС несущих конструкций.
Разработана методика построения пространственно-координатных (ПК) моделей контроля деформаций сооружений по результатам геодезической съемки в условиях стесненного доступа к объекту мониторинга.
Разработана методика использования МКЭ-моделей сооружений, актуализируемых данными выборочного обследования и геодезических измерений для оценки изменения НДС несущих конструкций в ходе мониторинга.
Проведена экспериментальная апробация результатов исследования в научно-практической деятельности.
Объектом исследования является процесс влияния неравномерных деформаций оснований зданий и сооружений, расположенных в зоне со сложными инженерно-геологическими условиями, на техническое состояние их несущих конструкций.
Предметом исследования являются методы и средства периодического мониторинга технического состояния несущих конструкций зданий и сооружений, испытывающих деформационные воздействия, на основе автоматизированного МКЭ-анализа изменения НДС конструктивных элементов.
Методологические и теоретические основы исследования составляют работы отечественных и зарубежных ученых в области инженерных изысканий, обследования строительных конструкций, геодезических измерений, практической инженерной деятельности в сфере строительного мониторинга, расчетов строительных конструкций в соответствии со СНиП, исследования автоматизации процессов проектирования и расчета зданий и сооружений, математическое и компьютерное моделирование работы сооружений.
Информационную базу исследования составляют:
Данные и сведения из книг, журнальных статей, научных докладов и отчетов, материалы научных конференций и семинаров, электронных информационных порталов, освещающие поставленную проблему исследования и изученные автором в ходе работы над диссертацией.
Технические нормы, правила, стандарты строительного производства и проектирования.
Результаты расчетов и экспериментов, проведенных в ходе диссертационной работы.
Научная новизна диссертационной работы:
разработана эффективная методика оценки влияния неравномерных деформаций оснований на техническое состояние несущих конструкций сооружений по результатам периодического мониторинга, в состав которого входят выборочное обследование технического состояния конструкций сооружения, дистанционные пространственно-координатные (ПК) измерения перемещений массива характерных точек сооружения, МКЭ-анализ изменения НДС несущих конструкций по данным выборочного обследования и геодезических измерений на этапах мониторинга;
введено понятие и разработана методика создания ПК-модели контроля деформаций сооружения, определены основные требования к ее построению;
впервые создана специализированная технология ПК-съемки в условиях стесненного доступа к объекту мониторинга;
введено понятие и разработана методика построения текущей МКЭ-модели сооружения, актуализируемой в ходе мониторинга с помощью ПК-модели контроля деформаций для оценки изменения НДС несущих конструкций.
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 2005-2008 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», Московская обл., 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.;
всероссийской научно-практической конференции «Научное творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях», г. Москва, 2008г.;
заседаниях кафедры испытания сооружений, инженерная геодезия,
инженерная геология и геоэкология 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:
общая постановка проблемы, основные цели и положения разработанной методики, схема организации процесса периодического мониторинга;
методика построения взаимодействующих ПК и МКЭ-моделей сооружений, 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.
Автор выражает глубокую признательность научному руководителю к.т.н. Ю.С. Кунину, д.т.н. А.В. Коргину, к.т.н. И.И. Ранову, д.т.н. П.А. Акимову, д.т.н. А.С. Городецкому за внимание и консультации при решении вопросов, возникших в процессе подготовки диссертации.
Неравномерные деформации основания и их влияние на систему «основание-сооружение
Исследование влияния причин, приводящих к снижению или потере несущей способности конструкций строительных объектов в ходе эксплуатации, показывает, что одними из основных причин являются неблагоприятные природно-техногенные воздействия на систему «основание-сооружение», вызывающие деформации грунтового основания и, как следствие, повреждения фундаментных и надфундаментных конструкций объекта.
Равномерные деформации основания, в целом, не снижают прочности и устойчивости конструкций самого сооружения, они развиваются в течение довольно больших временных интервалов и, в основном, влияют на состояние инженерных сетей и коммуникаций, .связывающих объект с окружающей инфраструктурой.
Неравномерные деформации основания провоцируют возникновение дополнительных деформаций и усилий в элементах конструкций, изменяют их напряженно-деформированное состояние (НДС), что приводит к повреждениям и ухудшению технического состояния как самих конструктивных элементов, так и всего объекта в целом.
Следует отметить, что деформации основания, как правило, носят пространственный характер, но в соответствии с действующими нормативно-техническими документами [128] их принято подразделять на вертикальные и горизонтальные перемещения. Вертикальные перемещения, в свою очередь, подразделяются на осадки, просадки, усадки, оседания, подъемы и т.д.
Классификация основных видов деформаций оснований в зависимости от направления воздействия на конструкции сооружений и причин их возникновения приводится в таблице 1.1 [91,128,145].
Рассмотренные в таблице 1.1 виды неравномерных деформаций основания наиболее характерны для зданий и сооружений, расположенных в крупных городах, особенностями которых являются [25, 137]: активная жизнедеятельность мегаполисов, постоянная застройка территорий или реконструкция объектов, перераспределение или увеличение эксплуатационных нагрузок на фундаменты и конструкции в процессе возведения или эксплуатации объектов (перепланировка, изменение этажности здания или его функционального назначения); плотная застройка территорий, расположение на проблемной территории участков зданий и сооружений разной этажности, передающих различные по величине нагрузки на основание; стесненность строительных площадок, возможность повреждения существующих объектов, прилегающих к зоне проведения земляных работ; сложность инженерно-геологической обстановки, в том числе неоднородность грунтов в пределах пятна застройки, залегание под контуром здания грунтов, обладающих различными физико-механическими свойствами и неодинаково реагирующих на негативные природно-технологические воздействия; насыщенность подземными инженерными коммуникациями и т.д.
В работах [7,94] отражены проблемы совместного функционирования системы «основание - фундамент - надфундаментные конструкции» в сложных инженерно-геологических условиях техногенной среды.
Степень воздействия неравномерных деформаций основания на сооружение зависит от многих факторов, таких как тип сооружения, конструктивная схема, пространственная жесткость и др. По степени чувствительности конструкций к неравномерным деформациям основания сооружения условно делятся три основные группы, определяющие характер совместной работы основания — фундаментов — надфундаментных конструкций [25] (рис. 1.3).
Практически нечувствительные сооружения. К таким объектам относятся гибкие сооружения, которым свойственна беспрепятственная совместная осадка с основанием и практически полное отсутствие появления при этом дополнительных усилий в конструкциях. В качестве примера таких сооружений можно привести земляные насыпи, днища металлических резервуаров, эстакады, галереи с разрезными пролетными строениями и т.д.
К этой группе объектов можно также отнести абсолютно жесткие сооружения (массивные мостовые опоры, дымовые трубы и другие компактные в плане сооружения, установленные на массивном фундаменте). Осадка сооружения и основания в определенных пределах происходит единым целым без взаимных смещений конструктивных элементов, достаточная прочность которых позволяет беспрепятственно воспринимать дополнительные усилия.
К объектам с податливыми системами конструкций относят каркасы одноэтажных зданий на отдельных фундаментах с шарнирными узлами, различные разрезные рамные, арочные конструкции и т.д.
Малочувствительные сооружения. К ним относятся сооружения, на которых проводились специальные мероприятия, такие как усиление элементов конструкций, разрезка на жесткие отсеки, устройство поясов, усиление подземной части и т.д., что позволяет данным сооружениям быть также приспособленными к воздействию неравномерных деформаций основания.
Чувствительные сооружения. К таким объектам относят большинство гражданских и промышленных зданий и сооружений (монолитные железобетонные каркасы, рамные и неразрезные железобетонные конструкции, металлические каркасы с жесткими узлами, кирпичные, блочные, панельные дома и т.п.). При неравномерных деформациях основания пространственная жесткость, до некоторой степени уменьшающая их влияние на конструкции, становится недостаточной для обеспечения смещения сооружения и основания как единого целого. Последующее деформирование сооружения приводит к изменению расчетной схемы работы конструкций, дополнительные усилия и деформации вызывают появление повреждений и даже разрушение отдельных элементов.
Процесс совместной деформации системы «основание - фундамент -надфундаментные конструкции» может характеризоваться различными формами, определение и анализ величин которых позволяет судить о степени проявления деформационного воздействия (табл. 1.2) [145].
Общие принципы построения ПК-моделей контроля деформаций объектов мониторинга
ПК-модель является структурированным массивом взаимосвязанных точек (узлов), отражающим основные геометрические особенности объекта мониторинга с учетом особенностей его конструктивной схемы. Формирование ПК-модели осуществляется в несколько этапов. Сбор необходимой информации производится на подготовительном этапе мониторинга в ходе проведения комплексного инженерного обследования технического состояния конструкций сооружения.
1-ый этап. На начальном этапе, в случае наличия проектной документации, выявление основных особенностей сооружения может производиться без доступа к объекту мониторинга. При этом по архитектурным чертежам (планам, фасадам, разрезам) фиксируются такие характеристики объекта, как: габариты; конфигурация в плане; этажность; расположение основных осей.
При детальном ознакомлении с данными конструктивных чертежей основное внимание уделяется: схемам расположения несущих конструкций; пространственной жесткости сооружения; типу фундаментов.
Дополнительно при составлении проекта размещения деформационных марок в характерных точках сооружения необходимы сведения об инженерно-геологических и гидрогеологических условиях площади застройки, в соответствии с чем в дальнейшем определяются: допустимые абсолютные величины осадок; проектная предварительно допустимая неравномерность осадок.
В общем случае для объектов, различающихся назначением, габаритами, конструктивной схемой и т.д., контролируемые узлы ПК-модели размещаются: в узлах каркаса; в местах пересечения несущих продольных и поперечных стен; в зонах расположения деформационных швов; в местах сопряжения отдельных частей сооружения и т.д.
Таким образом, внешние контролируемые узлы должны располагаться в обязательном порядке по углам и периметру наружных стен в соответствии с шагом осей сооружения и соответствовать уровням перекрытий этажей (фундамента-первого этажа, далее выбранных перекрытий), находиться в местах резких перепадов высот, в местах примыкания кровли и т.д. Количество контролируемых узлов должно быть достаточным для определения пространственной деформации объекта мониторинга и выявления неравномерности осадочного процесса. При этом необходимо учитывать экономическую целесообразность и сложность измерения большого количества точек, снижение точности геодезических измерений, которое напрямую зависит от количества станций съемки (положений прибора). Также необходимо отметить, что для получения максимально достоверных данных время выполнения одного цикла измерений должно гарантировать стабильность состояния объекта. В завершении данного этапа намечаются места предварительного расположения контролируемых узлов ПК-модели.
2-ой этап. После предварительного выбора узлов ПК-модели производится коррекция их числа и положения на месте в ходе визуального изучения объекта мониторинга с учетом: условий окружающей застройки; особенностей эксплуатации сооружения.
В условиях плотной застройки близлежащей территории требуется: определить степень доступа к намеченным положениям узлов ПК-модели объекта мониторинга; определить возможность снижения количества контролируемых точек при отсутствии доступа для их съемки.
К важным аспектам визуального ознакомления можно отнести внимательное изучение конструкции внешней облицовки сооружения с целью выбора типа осадочных и деформационных марок.
Месторасположение и количество внутренних узлов ПК-модели может меняться в зависимости от условий доступа к поверхностям несущих конструкций, расположенных внутри сооружения.
3-ий этап. На данном этапе производится анализ соответствия имеющейся МКЭ-модели объекта мониторинга и его ПК-модели. В случае необходимости в схемы расположения контролируемых узлов вносятся дополнительные изменения.
Расчеты точности измерений при проведении ПК-съемки
В результате решения прямой задачи оценивается фактическая точность измерений при использовании конкретных ОГС и измерительных приборов. При необходимости обеспечить заданную точность измерений решается обратная задача [60,91].
При реализации разрабатываемой методики (см. глава 4) в условиях наличия измерительной аппаратуры конкретных типов решалась прямая задача. В данном случае контроль и оценка точности по результатам измерений проводится при замыкании полигонометрического хода на начальную точку Sq=SH или на точку Sq—S3 с известными координатами х3, у3 и дирекционным углом а3 на смежную точку SC3. Ошибки определения координат станций сети возрастают пропорционально удалению от начального пункта в связи с тем, что измеренные стороны и углы содержат погрешности соответственно dLj, dL2,..., dLn и dj3], dp2,--, dPn+i- Угловые и линейные невязки хода:
В случае решения обратной задачи оценка точности построения проектируемой ОГС заключается в определении ожидаемых погрешностей координат узловых пунктов, относительных ошибок ходов и сравнении их с допустимыми значениями. В основе предварительных расчетов точности измерения в сети лежат зависимости [105]: П (2.25) Расчет точности может производиться 2-мя способами [60].
1. По вычисленной величине QF и известному значению ju, соответствующую определенному нормативному классу точности, определяется ошибка mF функции оцениваемого элемента сети и сравнивается с нормативной.
2. По вычисленной величине QF и задаваемому значению mF определяется /л и выбирается методика измерений.
При работе с электронными тахеометрами измеряемыми величинами являются углы и расстояния, точность измерений которых соответствует заданным техническим характеристикам приборов. Данные величины служат основой для последующих автоматизированных вычислений пространственных координат точек встроенным компьютером по известным математическим зависимостям. В общем случае паспортная точность тахеометров характеризуется СКП (т) измерений [150] горизонтальных углов т расстояний mD, угла наклона те, при этом
На рис. 2.15 представлены теоретические зависимости СКП измерений координат от величин расстояний, соответствующие техническим характеристикам приведенных выше тахеометров, что позволяют определить область их применения в зависимости от требуемой точности к измерениям перемещений.
Например, предельная дальность для измерения горизонтальных перемещений по I классу точности тахеометром Netl200 превышает 100 метров (кривая №1), а тахеометром Set4110 только 20 метров (кривая 2). Соответственно для II класса точности предельная дальность измерений координат тахеометрами Netl200 и Set4110 превышает 100 метров.
Точность измерений перемещений зависит также от дополнительных факторов, таких как метеоусловия (температура, атмосферное давление, влажность), константы прибора и отражателя и др. [48]. Учет данных факторов производится за счет ввода необходимых поправок в прибор автоматически или после их определения. Неправильное вычисление величин поправок или их недостаточный учет приводят к снижению заявленной точности работы прибора.
Оценка фактической точности измерений деформаций конкретным тахеометром определяется по повторяемости результатов измерений, выполненных на стабильном сооружении при постоянных условиях за короткий промежуток времени [108].
Основные отличия построения МКЭ-моделей проектируемых и эксплуатируемых сооружений
МКЭ-модель любого сооружения, в том числе и уже существующего, формируется согласно традиционному подходу, отраженному в научно-технической, справочной и учебной литературе [26,82,100].
При формировании расчетной схемы (МКЭ-модели) проектируемого нового сооружения исходной информацией служат данные, полученные в ходе инженерных изысканий участка застройки, данные, представленные архитекторами и конструкторами в ходе проектной проработки объекта строительства.
Параметры объекта фактически задаются проектировщиками, считаются неизменными и определяемыми функциональным назначением объекта. Нагрузки на сооружение обуславливаются требованиями СНиП и различными специальными условиями. При этом дискретизация конструкции на КЭ определяется стремлением учесть влияние возможных зон концентрации напряжений, возникающих в силу геометрических неоднородностеи самого объекта.
На основании проведенного по результатам расчетов анализа НДС конструкций объекта устанавливаются окончательные параметры сечений конструктивных элементов, определяемые по величинам внутренних усилий, перемещениям характерных точек, условиям устойчивости, колебаний и т.д., что отражено приведенной ниже последовательностью: Проект: — геометрия сооружения; — материалы конструкций; — проектные нагрузки. Расчет: —» НДС конструкций сооружения; Анализ: = размеры и расчетные характеристики элементов.
Проведение проверочных расчетов несущей способности конструкций существующих зданий и сооружений отличается от описанной выше схемы, тем, что основой для составления расчетной схемы объекта помимо проектных материалов являются данные инженерно-технического обследования, включающие в себя выявленные неоднородности и повреждения конструкций, накопленные в ходе эксплуатации. Расчетные схемы при проведении поверочных расчетов принимаются с учетом установленных фактических геометрических размеров, соединения и взаимодействия конструкций и их элементов, выявленных отклонений при возведении сооружения, фактических свойств материалов, параметров фактически действующих нагрузок [137]. Все данные должны быть правильно учтены при дискретизации модели существующей конструкции на КЭ.
Последовательность действий при построении МКЭ-модели существующего сооружения такова:
Обследование: фактическая геометрия сооружения; -» фактические размеры элементов; — фактические свойства материалов; - фактические нагрузки. Расчет: — НДС конструкций сооружения. Анализ: = оценка НДС конструкций сооружения. Таким образом, особенности применения МКЭ для анализа НДС конструкций существующих сооружений, в отличие от проектируемых сооружений, определяются способом получения исходных данных для построения расчетной модели и анализом результатов проводимого расчета.
МКЭ-модель существующего объекта отражает в себе информацию, собранную за время изыскательских работ. Построение МКЭ-модели происходит поэтапно. Базовая МКЭ-модель сооружения формируется на основании анализа имеющейся в наличии проектной документации и данных, полученных в ходе инженерного обследования и геодезических измерений, про веденных на начальном этапе мониторинга, с учетом фактического исходного состояния конструкций сооружения, и накопленных в процессе предшествующей эксплуатации изменений, износа, повреждений и деформаций. Далее, в ходе мониторинга формируется так называемая текущая МКЭ-модель сооружения, которая на каждом последующем этапе актуализируется за счет дополнения новыми данными, характеризующими изменение состояния конструкций сооружения в условиях последующей эксплуатации.
Таким образом, текущая МКЭ-модель носит накопительный характер и служит основой для оценки изменения НДС конструкций сооружения в ходе его жизненного цикла (рис. 3.8).
МКЭ-модель существующего сооружения должна содержать достаточное количество данных, необходимых для правильного отражения реальной работы сооружения, соответствовать поставленной задаче - оценке НДС конструкций в ходе его мониторинга, должна быть достаточно детальной, но, в то же время, не должна быть перегружена избыточной информацией, затрудняющей процесс ввода данных, расчета и последующего анализа результатов [100].
Стоит отметить, что многие факторы, характеризующие фактические условия эксплуатации конструкций, такие, например, как качество изготовления и последующего монтажа, влажность, наличие скрытых дефектов и повреждений, учесть при построении МКЭ-модели на практике достаточно сложно.
