, (4)
где - вектор, элементами которого являются перемещения основных
узлов МКЭ-модели;
- матрица, элементами которой являются интерполяционные функции;
- вектор, элементами которого являются перемещения контролируемых узлов ПК-модели.
Для реализации данной технологии используемый МКЭ-комплекс должен обладать специальным сервисом, позволяющим проводить интерполяцию перемещений узлов в автоматическом режиме.
Реализация алгоритма расчета на наложенные перемещения связана с обработкой глобальной матрицы жесткости (K), а именно с заданием граничных условий, соответствующих ненулевым значениям линейных перемещений узлов элементов конструкций. При этом рассматриваются две группы узлов:
· в первую группу входят узлы, в которых наложенные перемещения не заданы;
· во вторую группу включены узлы, перемещения которых задаются (основные узлы МКЭ-модели).
Разрешающая система уравнений МКЭ имеет вид:
.(5)
-перемещения в узлах первой группы при закрепленных узлах второй группы, вызванные нагрузкой , приложенной к узлам первой группы;
-перемещения в узлах первой группы, вызванные перемещениями узлов второй группы, при этом ;
-перемещения в узлах второй группы;
-реакции в закрепленных узлах второй группы, вызванные перемещениями узлов первой группы, при этом - нагрузка, приложенная к узлам второй группы.
В стандартных МКЭ-системах реализация расчета на наложенные перемещения в одном нагружении подразумевает автоматическое задание связей в соответствующих узлах по заданным направлениям для остальных нагружений. Это обуславливается использованием общей для всех нагружений МКЭ-модели матрицей глобальной жесткости K. В виду чего, в рамках решения поставленной задачи создаются две расчетные МКЭ-модели сооружения (рис. 9).
1. Текущая эксплуатационная МКЭ-модель сооружения рассчитывается на действие фактических нагрузок.
2. Текущая деформационная МКЭ-модель сооружения формируется на базе текущей эксплуатационной модели после удаления всех нагрузок и рассчитывается только на действие наложенных перемещений, заданных в основных узлах.
; ; , (6)
Существенное сокращение объема и времени обработки данных достигается в настоящей работе за счет разработанной технологии формирования блочной МКЭ-модели, создаваемой на базе текущей модели в соответствии с принятой конфигурацией ПК-модели (рис. 10). При этом блоки являются подконструкциями, т.е. обладают свойствами расчетной модели. В данном случае расчету может подвергаться система контролируемых блоков, выделенных из текущей деформационной МКЭ-модели, граничные узлы которых испытывают наиболее значительные зарегистрированные перемещения.
Рис. 9. Расчетные МКЭ-модели сооружения.
Согласно методике, предлагаемой в настоящей диссертационной работе, фактическое НДС конструкций сооружения, подверженного влиянию неравномерных деформация основания, на определенном этапе мониторинга рассматривается как совокупность данных расчета текущей эксплуатационной МКЭ-модели и текущей деформационной МКЭ-модели на заданные нагрузки:
НДСфакт=НДСэкс+ НДСдеф.
Анализ результатов МКЭ-расчета заключается в сравнении фактического НДС конструкций:
· с предельно-допустимыми значениями, т.е. производится оценка фактической несущей способности конструкций сооружения по предельным состояниям I и II группы:
НДСфактНДСнорм ;
· с проектными значениями:
НДСфактНДСпроетк ;
· со значениями НДС конструкций предыдущего этапа мониторинга, что позволяет выявлять динамику происходящих изменений за контролируемый период:
НДСНДС.
В четвертой главе диссертации рассматриваются вопросы реализации разрабатываемой методики оценки НДС несущих конструкций объектов мониторинга при неравномерных деформациях основания.
Экспериментальная апробация разрабатываемой в диссертации методики оценки НДС несущих конструкций сооружений, эксплуатируемых в условиях неравномерных деформаций основания, осуществлялась в ходе мониторинга технического состояния несущих конструкций здания многофункционального комплекса «Альфа Арбат Центр», расположенного по адресу улица Арбат, дом 1, в период с июня 2006г. по июль 2008г. Здание 9-этажное, имеет сложную в плане форму, каркас - стальной, с монолитными железобетонными перекрытиями. Объект мониторинга расположен в условиях плотной застройки в зоне со сложными инженерно-геологическими условиями, допускающими возможность значительных деформаций основания. На прилегающей территории осуществляется строительство, аналогичного по высоте многофункционального комплекса с подземной автостоянкой.
На объекте проводилась визуальная оценка технического состояния ограждающих и несущих конструкций, инструментальные измерения, фиксация пространственных перемещений массива характерных точек здания, выявление повреждений конструкций и причин их возникновения, а также анализ изменения НДС несущих конструкций здания от возможных вариантов деформаций основания и зафиксированных в ходе мониторинга перемещений характерных точек.
На объекте успешно применялась технология ПК-съемки с использованием сферических деформационных марок, что привело к снижению общего количества станций съемки в 1,5 раза, при этом количество контролируемых узлов здания в верхних уровнях было увеличено на 30% по сравнению с применением традиционных плоских марок.
ПК-модель контроля деформаций (рис. 11) создавалась путем определения координат внешних контролируемых узлов, расположенных в 14 вертикальных створах. В каждом створе были замаркированы точки на 2-4 стандартных уровнях, совпадающих с уровнями перекрытий 2, 3, 5 и 8 этажа, с помощью 12 плоских отражательных марок фирмы SOKKIA и 39 сферических отражателей. Высотное положение 48 внутренних контролируемых узлов на несущих конструкциях 3-го этажа определялось с помощью геометрического нивелирования. Со стороны площадки нового строительства также проводилась дополнительная нивелировка 33 осадочных марок.
Для создания модели комплекса «Альфа Арбат Центр» использовался программный комплекс Stark_Es фирмы «Еврософт». Рабочая версия МКЭ-модели, включает 45724 узлов и 68009 элементов (рис. 12). Для данного объекта применялась технология формирования блочной МКЭ-модели в соответствии с принятой конфигурацией ПК-модели. Всего в составе МКЭ-модели образовано 25 контролируемых блоков (КБ). Схема нагружения текущей деформационной МКЭ-модели данными геодезических измерений через ПК-модель приводится на рисунке 13.
Основным результатом применения разработанной методики стала возможность объективной количественной оценки изменения технического состояния конструкций здания на основании МКЭ-анализа их НДС при зафиксированных деформационных воздействиях со стороны основания.
Проведенное предварительное МКЭ-моделирование возможного развития осадочных процессов позволило в ходе мониторинга определить предельные величины деформаций основания и перемещений контролируемых узлов ПК-модели, до которых сохраняется нормативное техническое состояние несущих конструкций данного объекта с учетом реальных условий эксплуатации.
Рис.11. ПК-модель контроля деформаций здания.
Рис.12. МКЭ-модель оценки НДС конструкций здания.
1)2)3)
Ввод значений перемещений узлов ПК-модели в соответствующие узлы КБ Интерполяция перемещений в основные узлы каркаса КБ Расчет системы КБ на наложенные перемещения.
Рис. 13. Схема нагружения МКЭ-модели данными геодезических измерений c помощью системы контролируемых блоков.
Применение разработанных в настоящей работе ПК-моделей контроля деформаций позволяет оценивать техническое состояние объектов разнообразного назначения, в частности, таких, как искусственный насыпной холм (рис. 14) горнолыжного комплекса «Сорочаны» (МО) с расположенными на нем спортивными сооружениями.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ
1. Проведенный в диссертационной работе анализ выявил недостаточную проработанность существующих методик учета влияния неравномерных деформаций грунтового основания на техническое состояние несущих конструкций сооружений и отсутствие достаточной нормативной базы в области мониторинга строительных объектов, обеспечивающей предотвращение возникновения аварийных ситуаций.
2. Основными особенностями деформационных процессов оснований сооружений являются неравномерность и пространственный характер, вызывающие, в свою очередь, пространственные деформации всего сооружения, что необходимо учитывать для получения объективной картины их влияния на техническое состояние несущих конструкций.
3. Разработана эффективная методика оценки влияния неравномерных деформаций оснований на техническое состояние несущих конструкций сооружений, включающая процедуры инженерного обследования технического состояния конструкций, мониторинг пространственных перемещений массива характерных точек сооружения с использованием пространственно-координатной (ПК) геодезической съемки, а также МКЭ-анализ изменения напряженно-деформированного состояния (НДС) конструкций на базе зарегистрированных в ходе мониторинга перемещений.
4. Численная оценка влияния деформаций основания на НДС несущих конструкций сооружения производится с помощью МКЭ-анализа регистрируемых в ходе мониторинга перемещений сооружения, для чего введено понятие базовой МКЭ-модели, сформированной на основании проектной документации и результатов первоначального инженерного обследования, и текущей МКЭ-модели, актуализируемой по результатам выборочного обследования и геодезических измерений на этапах мониторинга.
5. Для передачи данных геодезических измерений, регистрируемых в ходе мониторинга, в текущую МКЭ-модель введено понятие ПК-модели, сформированной массивом характерных точек сооружения, совпадающих с частью узлов МКЭ-модели, и перемещения которых являются предметом геодезического контроля в ходе мониторинга.
6. Для проведения геодезических измерений в условиях плотной городской застройки разработана технология ПК-съемки при стесненном доступе к объекту мониторинга, в основе которой лежит использование сферических световозвращающих марок, позволяющих осуществлять устойчивые измерения при любых углах визирования, что расширяет возможности ПК-съемки и снижает ее трудоемкость по сравнению с традиционной технологией, основанной на использовании стандартных плоских марок.
7. Разработанная методика оценки НДС несущих конструкций позволяет обоснованно назначать предельно допустимые величины смещений основания и соответствующих им параметров пространственных перемещений контролируемых узлов для конкретного сооружения путем моделирования возможных вариантов деформационных воздействий, а также уточнять величины предельно допустимых деформаций оснований для приведенных в нормативных документах типов конструктивных схем сооружений.
8. Разработанная методика оценки НДС несущих конструкций сооружений в ходе мониторинга позволяет устанавливать необходимость проведения текущих ремонтных мероприятий по поддержанию или восстановлению нормативного технического состояния конструкций до момента, когда вероятность аварийного отказа становится выше показателя их надежности, что приводит к общему снижению трудозатрат и стоимости данных работ.
9. Результаты диссертационной работы внедрены в практическую инженерную деятельность в ходе мониторинга строительных объектов в г. Москве (здание «Альфа Арбат Центр») и Московской области (горнолыжный комплекс «Сорочаны»).
10. Выявлены следующие направления дальнейших исследований:
· автоматизация регистрации и обработки результатов измерений пространственного положения и деформаций строительных объектов за счет использование лазерных сканеров, GPS-приборов точного позиционирования и специализированных преобразователей других типов;
· разработка специализированного программного обеспечения, позволяющего совместить процедуры формирования ПК-модели и автоматизированной интерполяции ее перемещений в МКЭ-модель;
· предварительное моделирование осадочных процессов с учетом геологической структуры и совместной работы системы «основание-сооружение» для объективного прогнозирования величин предельно допустимых значений деформаций, при которых обеспечивается нормативные значения НДС несущих конструкций эксплуатируемых сооружений.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В РАБОТАХ
1. Коргин, А.В. Информационно-измерительный комплекс для проведения обмерных работ на базе цифровой геодезической аппаратуры / А.В. Коргин, И.И. Ранов, М.А. Коргина и др. // Тезисы докладов конференции Спецстроя РФ / Моск. гос. строит. ун-т. - М., 2003. - С.49-52.
2. Коргин, А.В. Автоматизированный обмер зданий и сооружений с помощью измерительно-информационного комплекса на базе цифровой геодезической аппаратуры / А.В. Коргин, М.А. Коргина, И.И. Ранов и др. // Сб. тр. каф. Испытания сооружений МГСУ / Моск. гос. строит. ун-т. - М., 2004. - С.29-34.