15
[Введите текст]
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ В ХОДЕ МОНИТОРИНГА ИХ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ
Коргина Мария Андреевна
Специальность:
05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения
Москва - 2008
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном строительном университете.
Научный руководитель:
кандидат технических наук, доцент Кунин Юрий Саулович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Алмазов Владлен Ованесович
кандидат технических наук, с.н.с. Бандин Олег Леонидович
Ведущая организация:
Центральный научно-исследовательский институт строительных конструкций (ЦНИИСК) г. Москва.
Защита диссертации состоится « » 2008 г. в час. мин. на заседании диссертационного совета Д.212.138.04 при ГОУВПО Московском государственном строительном университете по адресу: г. Москва, Ярославское шоссе, д.26, зал заседаний Ученого совета.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО Московского государственного строительного университета.
Автореферат разослан « » 2008 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Каган П.Б.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
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, спровоцированных различными природно-техногенными причинами. В связи с этим особое значение приобретает проблема контроля технического состояния несущих конструкций с целью предупреждения возникновения аварийных ситуаций и обоснованность выбора комплекса инженерных мероприятий по их недопущению. При этом очевидно, что контроль технического состояния несущих конструкций зданий и сооружений должен носить систематический характер и позволять осуществлять оценку происходящих изменений на основе количественных критериев, т.е. базироваться на процедурах выявления 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 предотвращать возникновение аварийных ситуаций, не существует.
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:
1. 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.
2. Разработана методика построения пространственно-координатных (ПК) моделей контроля деформаций сооружений по результатам геодезической съемки в условиях стесненного доступа к объекту мониторинга.
3. Разработана методика использования МКЭ-моделей сооружений, актуализируемых данными выборочного обследования и геодезических измерений для оценки изменения НДС несущих конструкций в ходе мониторинга.
4. 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.
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 2005-2008г.г. при мониторинге объектов г. Москвы и Московской области, среди которых здание многофункционального административного комплекса «Альфа Арбат Центр», г. Москва, ул. Арбат, д.1; спортивно-оздоровительный комплекс «Сорочаны», МО, Дмитровский р-н. деформация сооружение мониторинг геодезический
Апробация работы. Основные положения проведенных исследований по теме диссертации докладывались автором на международной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности», г. Москва, 2005-2008г.г.; на всероссийской научно-практической конференции «Научное творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях», г. Москва, 2008г.; на заседаниях кафедр испытания сооружений, инженерной геологии и геоэкологии МГСУ в 2005-2008г.г.
Практические результаты работы были представлены на выставке «НТТМ-2008». По итогам выставки работа награждена Грантом Президента РФ II степени.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, из них 3 статьи опубликованы в издании, рекомендованном ВАК, 9 статей в сборниках трудов международных и всероссийских научно-практических и научно-технических конференций, 3 статьи в сборниках трудов кафедр МГСУ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка из 168 наименований, приложений и содержит 225 страниц, в том числе 145 страниц машинописного текста, 74 рисунка, 18 таблиц.
На защиту выносятся наиболее существенные результаты исследований, имеющие научную и практическую значимость:
· общая постановка проблемы, основные цели и положения разработанной методики, схема организации процесса периодического мониторинга;
· методика построения взаимодействующих ПК и МКЭ-моделей сооружения, технология ПК-съемки в условиях стесненного доступа;
· практические основы организации процесса сбора, обработки и анализа данных мониторинга с целью последующего МКЭ-моделирования, теоретические основы поставленной расчетной задачи.
· экспериментальная апробация результатов теоретических положений диссертационной работы в практической инженерной деятельности при мониторинге строительных объектов в г. Москве.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение диссертации раскрывает актуальность темы работы, определяет объект, предмет, научную новизну и практическую значимость работы.
В первой главе диссертации произведены классификация и анализ причин возникновения и развития повреждений строительных объектов, проведен обзор существующих методов мониторинга технического состояния конструкций с использованием современной аппаратуры, динамических и геодезических методов.
Строительный объект представляет собой многокомпонентную систему взаимодействующих конструктивных элементов, работоспособность и техническое состояние каждого из которых определяет прочность, устойчивость и эксплуатационную безопасность сооружения в целом в ходе его жизненного цикла. Накопленный опыт строительства и эксплуатации различных объектов свидетельствует о том, что изменение условий нормального функционирования компонентов системы «основание-сооружение», заложенных на стадии проектирования, может быть вызвано самыми разнообразными причинами, основными из которых являются неравномерные деформации грунтового основания. Как следствие данные негативные воздействия вызывают повреждения фундаментных и надфундаментных конструкций и приводят к снижению или потере их несущей способности в ходе эксплуатации объектов. Причинами неравномерных деформаций основания могут являться разуплотнение грунтов при техногенных воздействиях, карстово-суффозионные процессы, увеличение внешней нагрузки на основание, резкие изменения гидрогеологических условий территории, изменение объема грунтов при химических и физических воздействиях и т.д. Неравномерные деформации грунтового основания наиболее часто встречаются в крупных городах, для которых характерна плотная застройка территорий, стесненность строительных площадок, сложность инженерно-геологической обстановки, насыщенность подземными инженерными коммуникациями и т.д.
Существующие нормативно-технические документы определяют предельно допустимые величины дополнительных совместных деформаций оснований и сооружений (вертикальных осадок и кренов) для весьма ограниченного количества типов конструктивных схем строительных объектов. В большинстве случаев неравномерные деформации основания носят сложный пространственный характер и вызывают, в свою очередь, пространственные деформации всего объекта. Для получения полной и объективной картины их влияния на техническое состояние конструкций сооружений необходимо использовать дополнительные численные критерии оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) конструкций. На сегодняшний день единой рекомендованной нормативными документами методики, позволяющей проводить подобные оценки, не существует.
В виду того, что деформационные воздействия на конструкции сооружений в результате изменения состояния и свойств основания носят в основном длительный характер, на сегодняшний день наиболее эффективным способом прогнозирования и предупреждения аварийных ситуаций является мониторинг их технического состояния, проводящийся в периодическом режиме.
Использование мониторинга для оценки технического состояния конструкций широкого класса сооружений различного назначения стало необходимой процедурой сравнительно недавно. По этой причине методы проведения мониторинга строительных объектов и трактовки получаемых в его ходе результатов, а также регламентирующая их нормативная база на сегодняшний день недостаточно проработаны, что определяет актуальность разработки эффективной методики оценки технического состояния несущих конструкций сооружений на основе данных периодического мониторинга.
Базовой составляющей разработанной методики является инженерное обследование технического состояния конструкций объекта, осуществляемое специалистами. В ходе инженерного обследования объективно выявляются происходящие изменения за счет визуального и инструментального контроля, что далеко не всегда удается осуществить с помощью автоматизированных методов мониторинга. В полном объеме инженерное обследование проводится на подготовительном этапе мониторинга и в выборочном на промежуточных этапах.
Нормативное техническое состояние конструкций сооружений в значительной степени определяется неизменностью и стабильностью их геометрических параметров (пространственное положение, пролеты, прогибы, перемещения). Контроль деформаций сооружений традиционно осуществляется путем определения развития в основном вертикальных осадок по контуру объекта в уровне основания с помощью геометрического нивелирования. При этом очевидно, что учет только вертикальных осадок в уровне основания не отражает реальной картины пространственной деформации всего объекта и изменения НДС его конструкций. Ошибки могут быть особенно велики при значительных габаритах и большой этажности сооружений, когда невозможен доступ к необходимому количеству точек для геометрического нивелирования в нужном объеме.