Гермонова Елена Юрьевна

Горно-геологический факультет
Специальность:Инженерная геодезия

Разработка и исследование метода измерения формы и наклона высоких дымовых труб

Научный руководитель: Могильный Сергей Георгиевич

Реферат по теме выпускной работы

         Введение

Характерной особенностью дымовых труб является их значительная высота при малых размерах основания. При такой геометрии имеют место большие нагрузки на основание, вызываемые массой сооружения, а также воздействием на его надземную консольную часть таких внешних факторов, как боковое давление ветра, односторонний солнечный нагрев и т.п. Возникающие нагрузки приводят к уплотнению грунтов и вызывают осадку сооружения. В результате неоднородных свойств основания и воздействия антропогенных факторов эта осадка может быть неравномерной, что приводит к крену сооружений.

Наблюдения за кренами труб и осадками оснований под фундаментами должны проводиться систематически, с использованием геодезических инструментов:
         - первые два года после окончания строительства, два раза в год;
         - после двух лет при стабилизации осадок фундаментов (1 мм в год и менее), один раз в год;
         - после стабилизации осадок, один раз в пять лет.

Актуальность темы

С целью своевременного выполнения мероприятий по усилению деформируемых конструкций высотных объектов и ликвидации опасности их разрушения необходимо регулярно вести геодезические измерения деформаций оснований, конструкций дымовых труб и их частей, с частотой, которая предусмотрена проектной и нормативной документацией на эти объекты.

Связь работы с научными программами, планами и темами

На кафедре геоинформатики и геодезии одним из научных направлений является теоретическое обоснование  новых технологий  выполнения различных геодезических работ.  Разработка математического аппарата формул и новой технологии наблюдения за деформациями дымовых труб – одно из направлений этих работ. Поэтому тему магистерской работы можно считать связанной с программами, планами и темами исследований, выполняемых на кафедре геоинформатики и геодезии ДонНТУ.     

Цель и задачи разработок и исследований

Целью данной работы является анализ  существующих технологий наблюдения за кренами высотных  сооружений с последующим выбором оптимальной, которую можно применить независимо от плотности застройки или насыщенности технологического оборудования вокруг наблюдаемого объекта и которая позволит по возможности  уменьшить трудозатраты за счет сокращения полевых и камеральных работ, повысить общую культуру производства.

Идея работы: разработка и исследование новой технологии наблюдения за деформациями дымовых труб, ориентированной на частичную автоматизацию технологического процесса и ведение мониторинга по каждой наблюдаемой дымовой трубе, т.е. анализ деформаций дымовых труб во времени и пространстве.

Рисунок 1 – Технология наблюдения за деформациями (GIF Animator 5.1, 6 кадров, 1 сек, 45,6 Кб)

Основные задачи разработки исследований.

Для  реализации поставленной цели намечено решить  следующие задачи:

1) изучить  существующие способы наблюдения за кренами сооружений;

2) выполнить сравнительный анализ  этих способов;

3) обосновать прогрессивную технологию наблюдения за деформациями дымовых труб и апробировать ее;

4) исследовать точность и эффективность новой технологии.

Предмет разработок и исследований: технология наблюдения за деформациями дымовых труб.

Методы исследований: математическое моделирование и математический анализ.

Объем разработок и исследований: разработана и апробирована модель дымовой трубы без деформаций, разработана и апробирована модель дымовойтрубы с деформациями, выполнена апробация вычислительного аппарата формул на реальной дымовой трубе.

Научная новизна:

1) получена математическая модель дымовой трубы, по параметрам которой можно будет принимать решение о деформациях дымовой трубы;

2) разработана новая технология наблюдения за деформациями дымовых труб с применением безотражательных тахеометров и предложен математический аппарат формул для расчетов.

Практическое значение полученных результатов:

1) значительное сокращение полевых работ по наблюдению за дымовыми трубами, за счет того, что не будет необходимости маркировать точки на трубе;

2) в процессе наблюдения можно сразу передавать данные измерений в компьютер и обрабатывать их;

3) сокращение затрат на зарплату работникам, так как для работы достаточно одного специалиста;

4) возможно ведение мониторинга каждой отдельной дымовой трубы.

Апробация работы: основные положения и результаты магистерской работы докладывались на научных студенческих конференциях 2007, 2008 и 2009 годов и получили положительную оценку специалистов.

Обзор исследований и разработок по теме

Для решения первой и второй задач были изучены способы наблюдений за кренами сооружений башенного типа [1-11] результаты которого сведены в таблицу 1. Для этого были выбраны следующие основные критерии сравнения:

1) необходимость создания опорной геодезической сети;

2) частота  обновления этой сети;

3) привязка к  пунктам государственной геодезической сети;

4) количество точек, с которых  будет наблюдаться крен сооружения;

5) минимальное удаление этих точек от объекта наблюдения;

6) максимальное удаление этих точек от объекта наблюдения;

7) геодезические приборы, для выполнения измерений;

8) измеряемые величины в полевых условиях;

9) результаты вычислений.

Из анализа всех рассмотренных способов наблюдения за кренами сооружений башенного типа, анализа современного парка геодезических приборов и имеющихся на сегодняшний день компьютерных технологий  был сделан вывод, что возможно значительно улучшить эти технологии, ориентировав их на новое геодезическое обеспечение, в частности безотражательные электронные тахеометры.

Таблица 1 - Анализ способов наблюдения за кренами сооружений башенного типа

Локальный обзор

1. Разработка методики и периодические определения деформаций дымовых труб Енакиевского коксохимического завода при обработке его территории шахтой "Красный октябрь", Хозтема  Х-76-23, № гос. регистрации 76038276,  Брежнев Д.В,Могильный С.Г. и др. , 1980 г.

2.  Могильный С.Г., Беликов И.Л., Ахонина Л.И., Брежнев Д.В. Фотограмметрия. - Киев.: Вища школа, 1985.-278 с.

Глобальный обзор

1) Wan Aziz, Othman Z. W. A. & Najib H:  Monitoring high-rise building deformation using Global Positioning System

         
             Национальний обзор

1) СНиП 2.02.01-83* Основания зданий и сооружений//

2) Бикташев М.Д. Башенные сооружения. Геодезический анализ осадки, крена и общей устойчивости положения

3) Руководство по определению кренов инженерных сооружений башенного типа геодезическими методами/ Центр. н.-и. и проект.-эксперим. ин-т орг., механизации и техн. помощи стр-ву, М.: Стройиздат 1981, 55 с.

4) РД 34.21.322-94 Методические указания по организации и проведению наблюдений за осадками фундаментов и деформациями зданий и сооружений строящихся и эксплуатируемых тепловых электростанций 1994-10-03 00:00:00

5) Определение крена сооружений и динамических деформаций// буровой портал - буровые установки для бурения скважин буровое оборудование и инструмент буровые компании 

6) СНиП 3.01.04.-87. Приемка в эксплуатацию законченных строительством предприятий, зданий и сооружений. Основные положения

7) СНиП III.24-75. Промышленные печи и кирпичные дымовые трубы

8) СНиП III-А: II-70. Техника безопасности в строительстве.

9) Инструкция по эксплуатации железобетонных дымовых труб и газоходов на тепловых электростанциях. - М.: СПО Союзтехэнерго, 1981.

10) Инструкция по эксплуатации железобетонных дымовых труб с металлическими газоотводящими стволами на тепловых электростанциях: РД 34.21.562-93. - М.: СПО ОРГРЭС, 1995.

11) Инструкция по приемке строящихся дымовых труб: РД 34.21.408-95. - М.: СПО ОРГРЭС, 1997.

12) Методика обследования дымовых труб тепловых электростанций: РД 34.20.328-95. - М.: СПО ОРГРЭС, 1997.

13) Методические указания по обследованию дымовых труб с металлическими газоотводящими стволами: РД 34.20.322-89. - М.: СПО Союзтехэнерго, 1990.

14) Рекомендации по повышению надежности дымовых труб ТЭС. - М.: СПО Союзтехэнерго, 1988.

  Основное содержание работы

Для исследований технологии применения безотражательных тахеометров при наблюдении за кренами высотных сооружений необходимо разработать математическую модель метода измерения. В процессе реализации этой задачи было выполнено следующее:

- вывод математического аппарата формул;

- разработка алгоритма формирования модели наблюдательных станций;
            - разработка интерфейса программы;

- разработка программы формирования модели измерений;

- разработка тестовых примеров для апробации программы;

- тестирование программы.

Для  вывода математического аппарата формул были применены модель дымовой трубы с тремя наблюдательными станциями (см. рис.2) и схема наблюдательных станций (см. рис.3).

Рисунок 2 – Модель дымовой трубы с тремя наблюдательными станциями

         Рисунок 3– Схема определения угла поля зрения тахеометра на станции N

Программа разрабатывалась с учетом следующих требований к ней:

-  модель должна формироваться для различного взаимного расположения наблюдательных станций;

-  должна быть возможность редактирования уже существующих моделей;

-  должна быть возможность просмотра и хранения данных по получаемым моделям наблюдательных станций;

-  должна быть возможность просмотра данных моделирования поэтапно;

-  возможность визуализировать результатов моделирования в виде планового наложения всех полученных точек и объемно.

В настоящее время с помощью разработанной программы создано несколько моделей дымовых труб.

На следующем этапе по результатам анализа геометрических свойств дымовой трубы и наблюдательных станций была получена система уравнений. Если принять, что дымовая труба – это усеченный конус, то общий вид уравнения для него будет иметь вид:

, (1.1)

где  - длина вектора ;
 - расстояние от точки О (центр основания трубы) до точки середины круга сечения, проходящего через i-тую точку на трубе;
 - радиус круга сечения, проходящего через i-тую точку на трубе. 

Длину вектора  можно вычислить по формуле:

       (1.2)

где  - координаты i-той точки на трубе;

 - координаты точки О (центр основания трубы).

Тогда длину вектора  можно вычислить по формуле:

.       (1.3)

Радиус круга сечения, проходящего через i-тую точку на трубе, можно вычислить по формуле:

          (1.4)

где  - радиус круга сечения, проходящего через точку О в основании трубы;

 - конусность дымовой трубы. 

Величину   () можно рассчитать по формуле:

,       (1.5)

где  - проекции направляющего вектора , связанные между собой зависимостью:

() (1.6)

Исходя из всего вышесказанного, уравнение дымовой трубы для  i-той точки, будет иметь вид:

  (1.7)

Уравнений вида (1.7) будет ровно столько, сколько будет измерений на дымовой трубе.

Продифференцировав по неизвестным данное уравнение получили систему из которой вычислили приближенные значения неизвестных в матричном виде:

      (1.8)

  ,                          (1.9, 1.10)

           (1.11)

Для оценки выбранной функции вычисляется средняя квадратическая ошибка единицы веса для отдельной точки:

,         (1.12)

где  - число измеренных точек;  - число неизвестных в уравнении (1.12).

В настоящее время эти формулы протестированы на смоделированных и реальных измерениях.

Заключение

В магистерской работе осуществлено теоретическое обоснование и изложены практические результаты разрешения научно-практической задачи разработки геодезического обеспечения наблюдения за деформациями дымовых труб.

Применение современных электро-оптических методов измерений при контроле за состоянием ответственных высотных объектов предприятий промышленности позволит:

- сократить затраты труда на геодезические работы;

- повысить безопасность геодезических работ;

- улучшить условия эксплуатации высотных сооружений.

Список используемой литературы

1. Руководство по определению кренов инженерных сооружений башенного типа геодезическими методами/ Центр. н.-и. и проект.-эксперим. ин-т орг., механизации и техн. помощи стр-ву 55 с. ил. 20 см. М. Стройиздат 1981

2. СП 13-101-99. Правила надзора, обследования, проведения технического обслуживания и ремонта промышленных дымовых и вентиляционных труб. Часть I. (http://www.gvozdik.ru/documents/1618.html)

3. Перспективные разработки и новые технологии. Определение крена цилиндрических сооружений. (http://www.sibpatent.ru/default.asp?khid=20139&code=672115&sort=2)

4. Субботин И.Е., Мазницкий А.С. Справочник строителя по инженерной геодезии. – Киев.: Будивельник, 1989.-280 с

5. Могильный С.Г., Беликов И.Л., Ахонина Л.И., Брежнев Д.В. Фотограмметрия. - Киев.: Вища школа, 1985.-278 с.

6. Левчук Г.П., Новак В.Е., Конусов В.Г. Прикладная геодезия. Основные методы и принципы инженерно-геодезических работ: Справ. пособие. - М.: Недра, 1981.-438 с.

7. Баран П.І „Широкодіапазонний диференціальний метод визначення горизонтальних зміщень та кренів споруд”//Вісник геодезії та картографії, 2003 р., №1(28), с.34-37.

8. Никитин А.В. „Способ определения крена сооружений цилиндрической формы ”//Геодезия и картография, 4.2002, с. 15-17

9. Норкин С.П., Кузнецов О.Ф. Инженерная геодезия: Учебное пособие. - Оренбург: ГОУ ОГУ, 2003 –111 с.

10. Пискунов М.Е. Методика геодезических наблюдений за деформациями сооружений - М.: Недра, 1980. –180с

11. Столбов И.А. "Об определении кренов сооружений"//„Геодезия и картография”,  выпуск 3.1988, с.35-36.