|
|
| Автореферат |
| Тема: Методы и средства построения прибора определения пространственной ориентации объектов |
| Актуальность |
Современное строительство характеризуется высокими темпами и большими объемами возводимых зданий, а также активным внедрением новых решений на всех этапах строительства. Основные отличительные признаки современной стройиндустрии можно сформулировать следующим образом:
- совершенствование методов расчета строительных конструкций, как за счет развития вычислительных методов, так и за счет широкого применения численных моделей;
- нестандартные конструкторские решения, которые порой можно охарактеризовать как смелые, новаторские, уникальные;
- применение инновационных технологий и материалов.
Перечисленные тенденции являются, безусловно, позитивным фактом, однако именно современное строительство характеризуется также и ростом числа аварий. Дело в том, что развитие сложных математических моделей вкупе с высококлассной вычислительной техникой породило иллюзию возможности рассчитать любую сколь угодно нестандартную конструкцию с абсолютной, непогрешимой точностью. Реальность же такова, что за стройностью численной модели стоят весьма спорные проблемы конкретного воплощения, в частности, статистический разброс характеристик материала строительной конструкции, в особенности грунтов основания. В настоящее время контроль пространственной ориентации объектов ведется во многих областях науки и техники: в машиностроении и приборостроении - для контроля пространственных параметров изделий и их пространственного положения, для точного позиционирования рабочих органов измерительной аппаратуры и станков; в строительстве - применение приборов ориентации позволяет с высокой точностью фиксировать наклон здания или участка защитной стены и контролировать угловые (ратационные) перемещения объектов или их частей, смещения грунтов в основании сооружений.
Если информация об этих процессах получена своевременно, они могут быть учтены, а возможные негативные последствия сведены к минимуму. Ведь для начала спасательной операции крайне важно определить момент, когда механические деформации превысят пороговое значение. Несмотря на то, что сам процесс механического разрушения строения может занимать относительно непродолжительное время (от нескольких секунд до часов), его «симптомы» могут проявиться задолго до этого. Максимально быстрая достоверная идентификация опасности и мгновенная подача сигнала позволяют провести эвакуацию и предотвратить негативные последствия, связанные с утечкой газа, пожарами, проблемами с электроаппаратурой, в том числе – с лифтами.
Современные технические средства геотехнического мониторинга становятся непременным атрибутом строительства сложных зданий и сооружений. Они позволяют осуществлять оперативный контроль состояния создаваемого или эксплуатируемого строительного сооружения, с учетом полученной информации корректировать при необходимости проектные и технологические решения, повысить надежность и эксплуатационную безопасность возводимых объектов.
Невозможно заранее предусмотреть, смоделировать и учесть все варианты изменения внешних факторов (геологических, техногенных, природных, антропогенных) воздействия на строительный объект в процессе его эксплуатации. Однако, и это крайне важно реализовать при проектировании, возможно разработать и установить прибор контроля ориентации за состоянием и стабильностью основных элементов определяющих эксплуатационную безопасность сооружения - фундамент, стены, перекрытия, опорные колонны, крыша, несущие и силовые элементы конструкции.
Таким образом, актуальной проблемой на сегодняшний день является разработка разнообразных приборов и систем мониторинга конструкций зданий и сооружений, и внедрение их в практику строительства. |
|
| Обзор методов и существующих приборов, выбора прототипа |
Для этого был произведен аналитический обзор существующих методов контроля:
- использование спутниковых методов измерений;
- лазерное сканирование зданий;
- метод геометрического нивелирования;
- волоконно-оптические измерительные системы;
- магнитные датчики пространственной ориентации;
- использование акселерометров.
Рассмотренные методы и приборы определения пространственной ориентации объектов в пунктах среди всех недостатков, имеют один очень существенный – они слишком дороги, для использования в качестве стационарных измерительных приборов при мониторинге зданий и сооружений. В настоящее время контроль смещений, вибраций и отклонений объектов проводится городскими службами с определенными промежутками времени (раз в 5 лет), а не которые конструкции, как часто бывает в наше время, и вовсе остаются без внимания. Данный вопрос приобретает особую актуальность в связи с набирающими в настоящий момент высокими темпами строительства, особенно в неблагоприятных в геологическом отношениях районах, к которым относится наш и город. Устройства контроля, для получения массового распространения, должны обладать низкой стоимостью и в тоже время обеспечивать достаточную точность. Вследствие данных рассуждений, предлагается в качестве прототипов использовать следующие датчики пространственной ориентации. Акселерометры хорошо подходят для использования в качестве датчиков контроля периметра зданий и сооружения, т.к. позволяют с достаточной точностью определять колебания (смещения) объектов. Для использования в качестве датчика наклона, акселерометры не годятся, т.к. в случае постепенного накопление напряжений, деформация объекта может происходить постепенно с скоростью, к которой они не чувствительны. В связи с этим за основу датчиков контроля вертикали зданий и сооружений предлагается использовать магнитные датчики (инклинометры) пространственной ориентации объектов.
В магистерской работе, с использованием пакета для инженерных разработок NI LabVIEW, вашему вниманию будет предложена модель работы простейшего интегрального акселерометра. Промоделированы реакции акселерометра на внешние воздействия, построены графики ускорения, скокрости и смещений объектов, с использованием методов двойной интеграции. Рассмотрены способы определения ветровых и сейсмических нагрузок в соответсвии с нормативными документами. Обоснован выбор первичных измерительных преобразователей. В качестве датчиков контроля периметра зданий выбраны интегральные акселерометры типа ADXL 203, для контроля вертикали здания – магнитные датчики угла наклона PMP-S5TX. |
|
| Контролируемые нагрузки и воздействия |
Объектами контроля проектируемого прибора являются следующие виды временных нагрузок и их сочетания:
1) ветровые нагрузки;
2) сейсмические воздействия;
3) воздействия, обусловленные деформациями основания;
4) снеговые нагрузки;
5) воздействия, обусловленные изменением влажности, усадкой и ползучестью материалов;
6) нагрузки от людей, животных, оборудования;
7) вибрационные или динамические воздействия от авто- и железнодорожного транспорта, линий метрополитена, оборудования, установленного в сооружениях и промышленных установках, расположенных вблизи существующих зданий;
8) температурные климатические воздействия;
9) гололедные нагрузки;
10) взрывные воздействия.
Наиболее распространенными и влиятельными на строительные конструкции, являются ветровые нагрузки и сейсмические воздействия. Были установлены ограничения колебаний конструкций, они не должны превышать 0,08 м/с². Предельные горизонтальные перемещения верха высотных зданий принимаются не более 1/500 от их высоты. Для элементов конструкций зданий и сооружений, предельные перемещения которых не оговорены нормативными документами, вертикальные и горизонтальные перемещения от постоянных, длительных и кратковременных нагрузок не должны превышать 1/150 пролета или 1/75 вылета консоли.
Установлены способы определения горизонтальных предельныех перемещения каркасных зданий, исходя из конструктивных требований (обеспечение целостности заполнения каркаса стенами, перегородками, оконными и дверными элементами). Горизонтальные перемещения каркасных зданий следует определять, как правило, с учетом крена (поворота) фундаментов. При этом нагрузки от веса оборудования, мебели, людей, складируемых материалов и изделий следует учитывать только при сплошном равномерном загружении всех перекрытий многоэтажных зданий этими нагрузками (с учетом их снижения в зависимости от числа этажей), за исключением случаев, при которых по условиям нормальной эксплуатации предусматривается иное загружение.
При этом температурные воздействия следует принимать без учета суточных колебаний температур наружного воздуха и перепада температур от солнечной радиации.
Крен фундаментов следует определять с учетом ветровой нагрузки, принимаемой в размере 30 % нормативного значения. Предельные значения крена оснований под фундаментами высотных зданий не должны превышать ίu = 0,005.
Для зданий высотой до 40 м, расположенных в районах с слабыми ветровыми нагрузками, крен фундаментов, вызываемый ветровой нагрузкой, допускается не учитывать.
|
|
 |
|
Рисунок 1 – Расчетная динамическая модель здания
Анимация: GIF Animator, 4 кадра, смена кадра - 1,5сек |
|
| При расчете зданий следует принимать наиболее опасную ориентацию воздействия, реализующую максимум динамической реакции. |
|
| Постановка задачи контроля |
Прибор определения пространственной ориентации объектов предназначен для объективного высокоточного измерения перемещений (наклона, вибраций) контролируемых объектов (зданий, сооружений) и элементов конструкций от исходного положения, передачи данных для последующего отображения, обработки, хранения, и оповещения в случае аварийных ситуаций.
Проектируемое устройство предназначено для измерения cмещения, вибрации и наклона объекта. В качестве прототипа выбраны магнитные датчики вертикального контроля и интегральные акселерометры. Таким образом, исходными данными для проектирования являются:
- датчики контроля периметра зданий, в качестве которых используются двухосные интегральные акселерометры ADXL203, позволяющий измерять линейное ускорение по двум взаимно перпендикулярным осям;
- диапазоном регистрации процессов - 0,1 ÷ 300 Гц
- средняя квадратическая погрешность датчика - 0.25%.
- датчики контроля вертикали здания, основанные на регистрации перемещения «свободно висящего или плавающего» постоянного магнита относительно приемной поверхности магниточувствительного элемента;
- угловое разрешение ДУН – 0,005°;
- диапазон измерения наклона - до 10°;
Требования и ограничения, накладываемые на разработку, следующие:
- получение результата измерения в любой момент времени;
- получение результата измерения в удобной для человека форме;
- как можно меньшие аппаратные затраты.
При проектировании прибора контроля не выдвигаются особые требования к его массе.
В качестве рекомендуемого концептуального решения можно предложить следующее. Применение интегральных акселерометров и магнитных датчиков позволит преобразовать перемещения (вибрации) и отклонения объекта от вертикали в электрические сигналы.
За начальные координаты объекта принимаются показания датчиков в первое время после установки. Допустимые отклонения от начальных данных рассчитываются на основе соответствующих строительных норм и правил. Разрабатываемый прибор рекомендуется применять в качестве стационарной установки при контроле крупных и сложных объектов, а также зданий выше 40 метров.
В процессе измерений возможно производить как несколько считываний контролируемых данных через определенные промежутки времени, так и вести непрерывный во времени контроль объекта. |
|
| Теоретический анализ и обоснование функций прибора |
Разрабатываемый прибор определения пространственной ориентации, обеспечивает диагностику состояния эксплуатируемых зданий и сооружений, – вибрации, деформации и отклонения конструкций зданий и сооружений от проектного положения. Он представляет собой новое поколение аппаратуры для динамического анализа устойчивости зданий и сооружений.
Основные операции по определению физического состояния зданий и сооружений, в частности – высотных, при воздействии нагрузок, следующие:
1) Регистрация (осциллографирование) вибраций в различных точках сооружения в местах возможных амплитуд первых трех форм собственных колебаний. Продолжительность процесса регистрации устанавливается автоматически, допуская ее разбиение на отдельные представительные записи для формирования ансамбля реализаций случайного процесса.
2) Обработка зарегистрированных вибраций и функций времени скоростного напора: удаление трендов, сглаживание, балансировка стационарной части процесса, переход из временной области в частотную методом быстрого преобразования Фурье (БПФ), т.е. получение амплитудных частотных спектров вибраций сооружения и определение наклона.
3) По полученным спектрам построение передаточной функции и фиксация ее экстремумов, как экспериментальных частот собственных колебаний конструкции, логарифмических декрементов собственных колебаний, распределение амплитуд поперечных и продольных колебаний по высоте сооружения.
4) Расчетное определение частот собственных колебаний сооружения по исходным проектным данным с использованием программных средств, контроль допустимого наклона здания.
5) Определение прочности, устойчивости, износа и остаточного ресурса сооружения с помощью программных средств. Для сооружений в сейсмически опасных районах – расчетное определение остаточного ресурса по сейсмостойкости.
Как известно, в строительных конструкциях появление дефектов вызывает уменьшение площадей рабочих сечений и моментов инерции от проектных параметров. Механические характеристики материалов (модуль упругости, коэффициент Пуассона, нормативное сопротивление конструкционных материалов) также могут отличаться от проектных значений как вследствие естественной неоднородности, так и по технологическим причинам. В процессе эксплуатации конструкций и в связи с эффектами старения происходит дальнейшее снижение указанных параметров и, следовательно, – несущей способности. Характерно, что при этом не происходит заметного снижения материалоемкости конструкций.
Процедура оценки физического состояния сооружения в целом устанавливается циклом анализа по основным несущим конструктивным элементам. В предположении, что при оценке прочности и устойчивости сооружений можно пренебречь изменением массовых характеристик, несущую способность можно охарактеризовать изгибной жесткостью опасных сечений несущих конструктивных элементов B = EJ, т.е. произведением модуля упругости E на момент инерции нормального сечения J. Указанные предпосылки дают возможность оценивать несущую способность сооружения по спектру частот собственных колебаний Ti по n собственным формам (i = 1, 2, 3… n), связанных со средней жесткостью B соотношением: |
 |
здесь m = const – погонная масса; H – пролет конструктивного элемента (для высотных сооружений – высота сооружения); αi – частотный коэффициент, зависящий от упругих свойств опорного сечения.
Введем время t с началом отсчета t = 0, совмещенным с моментом ввода сооружения в эксплуатацию. Вкрхняя формула определяет расчетный частотный спектр конструкций как новых (т.е. при t = 0), так и находящихся в эксплуатации (при t > 0) при вводе соответствующего значения жесткости B.
Далее полагается, что начальное состояние конструкции соответствует некоторым исходным (проектным) данным. Если сооружение запроектировано на несущую способность от конкретной нагрузки, то процент уменьшения жесткости будет соответствовать снижению данной (проектной) несущей способности. Если сооружение предназначено для службы в сейсмически активном районе, т.е. по проекту является сейсмостойким на G баллов, то процент уменьшения жесткости будет соответствовать снижению указанного (G) ресурса сейсмостойкости.
Оценка снижения несущей способности сооружения на произвольном временном интервале t … t + Δt дается по разности жесткостей на границах этого интервала, для которого t = 0 (начало эксплуатации, проектные данные) – частный случай. В общем случае относительный износ конструктивного элемента оценивается по формуле: |
 |
| и, например, переходя к основной частоте, в предположении, что граничное условие сохранилось (i = 1, αi = const): |
 |
Если необходим прогноз износа по данным, основанным на теоретических соображениях о накоплении повреждений со временем, то достаточна оценка по формуле по этой формуле, поскольку в данном случае оба значения основной частоты определяются точно расчетом.
Для оценки износа эксплуатируемых сооружений текущие значения частот ωt + Δt определяют экспериментально спектральным анализом виброграмм, и процент износа определяется средним значением по n формам собственных колебаний объекта: |
 |
Для вкладов частот могут быть введены весовые коэффициенты их зна-чимости.
Среднеквадратическое отклонение частоты Dω при среднем значении ωcp: |
 |
В данном методе расчетные значения частот определяются программными средствами с учетом градиентности параметров сооружения по координатам, слоистости и разнотипности поперечных сечений, а также упругой податливости грунтового основания. Точность и достоверность экспресс-метода достигается за счет принятия во внимание при расчете таких факторов, как неравномерность распределения инерционных (массовых) и жесткостных характеристик по координатам, податливость опорного сечения конструкции и композитность структуры сечений.
Остаточный ресурс P сооружения определим как дополнение до единицы (или в процентах – до 100%) величины износа ζ: |
| P = 1 - ζ |
Для протяженных объектов типа дымовых и вентиляционных труб, как правило, используются записи колебаний, вызванных ветровыми нагрузками. Практически в указанных условиях происходит возбуждение всех форм собственных колебаний сооружения.
В ходе измерений производится регистрация акселерограмм, т.е. изменений со временем ускорений различных точек объекта, а также (при возможности) синхронно-скоростного напора ветра.
Результаты контроля и оценки технического состояния являются основой для принятия решения о возможности дальнейшей эксплуатации технических устройств, зданий и сооружений, и позволяют выявить причины повреждений отдельных частей и конструкций, прогнозировать скорость их износа и определить остаточный ресурс.
Функционирование комплекса основано на автоматической компьютерной операции анализа изменений спектральных характеристик диагностируемого сооружения сопоставлением (отношением) экспериментально замеряемых и расчетных (проектных) жесткостей опасных сечений конструкций.
Проектируемый прибор является высокочувствительной многоканальной аппаратурой. Высокочувствительные сейсмовибрационные датчики (акселерометры, датчики наклона) с диапазоном неискаженной регистрации процессов от 0,1 Гц до 30 Гц позволяют исследовать как протяженные высотные объекты, имеющие большие периоды собственных колебаний, так и сооружения с жесткой конструктивной схемой.
Связь датчиков с компьютером осуществляется посредством линии связи.
В приборе можно выделить оконечные узлы и центральный узел. Он содержит 4-е измерительных модуля, каждый из которых содержит 3-ех координатный датчик с каналом обработки информации и АЦП. Базовый модуль содержит микроконтроллерный блок обработки и индикации. Центральный персональный компьютер оснащен пакетом специализированного программного обеспечения для управления всеми функциями прибора, визуализации, обработки и анализа данных с использованием различных алгоритмов цифровой обработки сигналов во временной и частотной областях. Доступ к основным данным об устойчивости здания, через центральный ПК, могут получить обычные граждане, если они для них представляют интерес.
| | На рисунке представлена укрупненная функциональная схема прибора экспресс-контроля пространственной ориентации объектов (зданий и сооружений), предлагаемая для дальнейшей разработки. |
|
 |
|
| Рисунок 2 – Укрупненная функциональная схема прибора определения пространственной ориентации объектов (зданий и сооружений) |
|
| Заключение |
| В автореферате произведено исследование прибора пространственной ориентации объектов (зданий и сооружений). Для этого был произведен аналитический обзор существующих методов, приборов и систем, обоснован выбор первичных измерительных преобразователей. В качестве датчиков контроля периметра зданий выбраны интегральные акселерометры типа ADXL 203, для контроля вертикали здания – магнитные датчики угла наклона PMP-S5TX. Определены суммарные составляющие погрешностей интегральных акселерометров и исследованы методы методи уменьшения погрешностей. Разработаны электрические принципиальные схемы подключения датчиков. Проведен анализ нагрузок и воздействий, действующих на здания и сооружения. Составлен рял моделей, используемых датчиков в пакете для инженерных разработок NI LabVIEW. Также разработаны функциональная и структурная схемы проектируемого прибора. Для математического обеспечения исследуемых объектов, проведен анализ динамики сооружений, в качестве примера, произведен расчета реакции здания в направлении ветра. |
|
| Литература: |
1. Савицкий Г.А. Ветровая нагрузка на сооружения // М., 1972г., 111с.
2. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. Т. 1. – М: ДМК Пресс, 2001. – 544 с.
3. Гудинаф Ф. Интегральные акселерометры // Электроника. 1993. № 7–8.
4. McCoy. Method and apparatus for measuring pumping rod position and other aspects of a pumping system by use of an accelerometer Pat. USA № 5406482, pr. 11.04.95
5. Глобальна система визначення місцеположення (GPS). Теорія і практика / Гофманн -Велленгоф Б., Ліхтенеггер Г., Коллінз Д. / Пер. з англ. під ред. Яцківа Я.С. - Київ: Наук. Думка, 1995.
6. СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия.
|
|
|
|
|
