При сложном пространственном характере неравномерные деформации основания, вызывая пространственные деформации всего сооружения, сопровождаются повреждениями элементов его несущих конструкций по всему объему. В подобных случаях выявить полностью характер деформирования основания инструментально практически невозможно, как и численно оценить его влияние на НДС несущих конструкций. В такой ситуации непосредственный контроль пространственных деформаций сооружения позволит, не зная полностью характер и параметры деформаций основания, напрямую оценивать в ходе мониторинга изменение НДС конструктивных элементов сооружения.
Таким образом, при неравномерных деформациях основания основными параметрами, которые должны контролироваться в ходе мониторинга, являются пространственные деформаций сооружения - взаимные перемещения массива его характерных точек в нескольких уровнях по высоте и периметру объекта, которые он испытывает в результате деформационного воздействия со стороны основания. Наиболее эффективным способом решения данной проблемы является пространственно-координатный мониторинг положения характерных точек объекта с помощью современной геодезической аппаратуры, которая на сегодняшний день способна обеспечить необходимую точность и скорость измерений.
По результатам мониторинга, в соответствии с требованием СП 13-102-2003, помимо визуально-нормативной оценки технического состояния конструкций, должен производиться численный анализ их НДС на основании проверочных расчетов с уточненными данными, полученными при обследовании сооружения. На сегодняшний день проектирование и расчет строительных конструкций, как правило, осуществляется численными методами на ЭВМ с помощью специализированных вычислительных комплексов, алгоритмы которых в подавляющем большинстве основаны на методе конечных элементов (МКЭ). Данная технология является в настоящий момент основным инженерным инструментом автоматизированного математического анализа НДС строительных конструкций от любого вида внешних воздействий, включая неравномерные деформации оснований.
По этим причинам, основой содержания настоящей работы является разработка методики перехода от параметров пространственного деформированного состояния сооружения, полученного в ходе инструментальных измерений, к изменениям параметров НДС, возникшим в конструктивных элементах в результате деформационного воздействия на объект со стороны основания.
Во второй главе диссертации представлена разработанная методика геодезических измерений пространственных деформаций объектов мониторинга с использованием ПК-моделей в условиях плотной городской застройки.
Определение пространственных перемещений массива характерных точек объекта, замаркированных деформационными марками в нескольких уровнях по высоте и периметру сооружения, осуществляется путем их пространственно-координатной (ПК) съемки с помощью электронных тахеометров (рис. 1). По разности значений пространственных координат (xi, уi, zi), соответствующих фактическому планово-высотному положению точек в разных циклах мониторинга, вычисляются как вертикальные, так и горизонтальные перемещения сооружения (1,2). С целью систематизации массива точек в рамках данной работы вводится понятие пространственно-координатной модели (ПК-модели) контроля деформаций сооружения (рис. 2-3). Характерные точки сооружения являются так называемыми контролируемыми узлами ПК-модели.
; (1)
(2)
В зависимости от размера сооружения и его конструктивной схемы ПК-модель может формироваться только по внешнему контуру объекта, т.е. состоять из внешних контролируемых узлов, фиксированных на фасадах. В случаях значительных габаритов или при сложной конструктивной схеме объекта для повышения точности измерений и возможности дополнительного контроля деформаций ПК-модель должна содержать контролируемые узлы внутри объекта (рис. 2).
Формирование ПК-модели осуществляется по проектной документации или по результатам обследования сооружения в зависимости его от габаритов, конфигурации в плане, этажности, расположения несущих конструкций, типа фундаментов и т.д., с учетом возможности доступа к объекту для проведения геодезической съемки. В общем случае, контролируемые узлы ПК-модели выборочно располагаются в основных узлах каркаса, в местах пересечения несущих продольных и поперечных стен, в зонах размещения деформационных швов, в местах сопряжения отдельных частей сооружения и т.д. При этом формируются вертикальные створы и горизонтальные уровни, в количестве не менее 3-х узлов в каждом из них. Общее количество контролируемых узлов устанавливается на основании критериев достоверности для объективного выявления картины пространственных деформаций объекта.
Рис.1. ПК- съемка объекта мониторинга.
Рис. 3. Пространственное перемещение вертикального створа ПК-модели.
Рис. 2. ПК-модель контроля деформаций.
Планово-высотная сеть для ПК-съемки внешних контролируемых узлов объекта создается методом полигонометрии, наиболее приемлемом в стесненных городских условиях, и включает в себя станции, расположенные на точках опорной геодезической сети (ОГС). Места расположения точек ОГС определяются территорией застройки, формой и площадью объекта мониторинга, а также доступом к нему. Съемка сооружения осуществляется в местной системе координат, наиболее выгодное расположение координатных осей которой достигается при совмещении их направления с продольными и поперечными осями сооружения, что позволяет без промежуточных вычислений определять перемещения узлов ПК-модели вдоль данных осей. Высотная сеть для определения вертикальных составляющих осадок внутренних контролируемых узлов создается методом геометрического нивелирования в единой системе высот с внешней ОГС.
Основная проблема проведения ПК-съемки в стесненных условиях плотной городской застройки заключается в ограничениях, налагаемых возможностям стандартных плоских световозвращающих марок (рис. 4а) по обратному возвращению светового потока лазерного дальномера тахеометра при критических углах падения луча менее 30°-35° к плоскости катафотного слоя марки, вследствие чего теряется возможность проведения точных измерений.
Данные ограничения в рамках настоящей работы преодолены в результате создания специализированной технологии ПК-съемки в условиях стесненного доступа к объекту мониторинга. В ее основе лежит использование специально разработанных сферических световозвращающих марок, позволяющих проводить устойчивые измерения координат при любых углах визирования с заданной точностью в большом диапазоне расстояний. Сферическая световозвращающая марка (рис. 4b) представляет собой сферу радиусом 20мм, обклеенную световозвращающей катафотной тканью. При наведении на такие марки с любой точки стояния тахеометра автоматически обеспечивается нормальное падение луча к сферической поверхности в точке наведения и прохождение его продолжения через центр сферы, что исключает эффект косого визирования и позволяет наблюдать расположенные на фасаде здания марки с любого направления без снижения точности наведения (рис. 5). Возникающая при этом константа измерений (расстояние до центра сферы) определяется экспериментально для используемого типа электронного тахеометра.
Использование сферических марок при ПК-съемке в условиях плотной городской застройки позволяет получать более полную картину пространственных деформаций сооружения за счет увеличения количества внешних узлов ПК-модели, расположенных в верхних контролируемых уровнях объекта, по сравнению с использованием стандартных плоских марок.
a)
b)
Рис. 4. a) Плоские самоклеящиеся световозвращающие марки.
b) Сферические световозвражающие марки.
Рис. 5. Характер отражения сферической световозвращающей марки.
1 - точка наведения; 2,3 - точка минимума световозвращения катафотной сферической поверхности; 4 - константа световозвращающей сферической марки; 5 - объектив светодальномера; 6 - сфера со световозвращяющим катафотным покрытием; 7 - точка критического угла падения для катафотной сферической поверхности.
Требуемая точность измерения пространственных деформаций ПК-модели обуславливается техническим заданием на производство работ, нормативными документами (ГОСТ 24846-81) на основании выбора класса точности измерений или специальными расчетами.
Точность измерений пространственных координат электронными тахеометрами соответствует техническим характеристикам приборов и, в общем случае, характеризуется среднеквадратичной погрешностью (СКП-m) измерений горизонтальных углов mв, расстояний mD и углов наклона mq .
; ,(3)
где mxy; mz-СКП измерения координат;
D-измеряемое расстояние.
Для проведения измерений деформаций по I классу точности применяются приборы, для которых mв=1"ч2" и mD=(0,6ч1мм+1ч210-6D) (рис. 6, кривая 1). Точность наиболее распространенных тахеометров, применяемых для проведения измерений деформаций в соответствии со II и ниже классами точности измерений, характеризуется mв=3"ч6" и mD=(2ч3мм+1ч310-6D) (рис. 6, кривая 2,3). Представленные на рисунке 6 кривые позволяют определить область применения приведенных типов электронных тахеометров в зависимости от требуемой точности к измерениям перемещений.
Рис. 6. Теоретическая кривая зависимости абсолютной СКП измерения координат (mxy) от величин расстояний.
Кривая 1: mв=1" и mD=(1мм+110-6D)
- призма (Sokkia Net1200);
Кривая 2: mв=5" и mD=(2мм+210-6D)
- призма (Sokkia Set4110);
Кривая 3: mв=5" и mD=(4мм+210-6D)
- пленка (Sokkia Set4110).
Построение ПК-модели контроля деформаций объекта мониторинга производится с помощью специального разработанного программного обеспечения, выполняющего автоматизированный перевод геодезической информации в электронный чертеж и входящего в состав измерительно-информационного комплекса (ИИК), с помощью которого осуществляется ускоренный сбор и обработка данных геодезических измерений. Техническая часть ИИК базируется на использовании тахеометров фирмы Sokkia. Программная часть комплекса базируется на системе предварительной обработки геодезической информации ProLink фирмы Sokkia и системе построения электронных чертежей Autocad фирмы Autodesk. Подготовка дополнительной информации для анализа связей точек измерений при создании ПК-модели сооружения в формате так называемой матрицы ребер проводится в пакете Microsoft Excel. Затем данные передаются в графическую систему AutoCAD путем загрузки программного файла KARKAS, представляющего собой описание на языке AutoLISP последовательности операций по автоматизированному построению ПК-модели. При необходимости ПК-модель может служить основой для формирования расчетной модели сооружения, путем преобразования плоских и пространственных изображений из DXF файлов в МКЭ-модель.
В третьей главе диссертации представлена разработанная методика МКЭ-оценки НДС несущих конструкций зданий и сооружений по результатам мониторинга их технического состояния.
Построение МКЭ-модели объекта мониторинга производится поэтапно. Базовая МКЭ-модель сооружения формируется на основании анализа имеющейся в наличии проектной документации и данных, полученных в ходе инженерного обследования и геодезических измерений, проведенных на начальном этапе мониторинга с учетом фактического исходного состояния конструкций сооружения и накопленных ими в процессе предшествующей эксплуатации износа, деформаций и повреждений. 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 в условиях последующей эксплуатации объекта (рис. 7).
Рис. 7. Текущая МКЭ-модель сооружения.
Рис. 8. ПК и МКЭ-модели сооружения.
В качестве нагрузок при проведении МКЭ расчета и анализа НДС конструкций объекта мониторинга помимо основных эксплуатационных постоянных и временных нагрузок задаются кинематические воздействия (наложенные перемещения), являющиеся зафиксированными в ходе геодезического мониторинга пространственными перемещениями контролируемых узлов ПК-модели. Для обеспечения достоверной передачи данных геодезических измерений в МКЭ-систему необходимо, чтобы узлы ПК-модели сооружения с возможно большей точностью соответствовали части узлов МКЭ-модели (рис. 8).
При неравномерных деформациях основания ПК-модель сооружения частично отражает пространственные деформации, происходящие в объеме всего сооружения. МКЭ-модель при вводе достоверно составленных нагрузочных данных (перемещений узлов ПК-модели) позволяет контролировать изменение НДС конструкций и оценивать их фактическую несущую способность в заданных условиях эксплуатации объекта. Оценка влияния зафиксированных перемещений контролируемых узлов ПК-модели на несущую способность конструкций сооружения производится после интерполяции значений перемещений в основные конструктивные узлы МКЭ-модели, к которым относятся:
· опорные узлы колонн каркаса;
· узлы соединения колонн и главных балок перекрытий;
· узлы соединения колонн и плит перекрытий;
· узлы соединения несущих стен в уровне перекрытий этажей и др.
В зависимости от количества контролируемых узлов ПК-модели и расчетной схемы сооружения интерполяция перемещений может быть одномерной - линейная, квадратичная, сплайн-интерполяция и т.д.; двумерной - билинейная, двумерная сплайн-интерполяция и т.д. При этом для вычисления промежуточных значений перемещений основных узлов МКЭ-модели истинная функция перемещений заменяется интерполяционной функцией (Ni), которая в узлах МКЭ-модели, соответствующих контролируемым узлам ПК-модели, дает «точные» значения перемещений (Ui) и позволяет определять значения перемещений () в искомых основных узлах модели.