г. Москва и Московская область, Россия
ГРНТИ 67.11 Строительные конструкции
ББК 385 Строительные конструкции
В связи с активным развитием вычислительной техники последние несколько десятилетий, все больше проблем человеческой деятельности решаются с помощью информационно-вычислительных систем. В частности, применение персональных компьютеров и специализированных расчетных комплексов совместно с базами данных нормативной документации позволяет обеспечить безопасность возведения и эксплуатации зданий и сооружений, сократить трудозатраты при расчете конструкций и мониторинге напряженно-деформированного состояния, применять уникальные решения при проектировании и строительстве. Однако в большинстве случаев проводимые расчеты абстрактны и не полностью учитывают все воз-действия на возводимые или эксплуатируемые здания и сооружения, реальные характеристики материалов, дефекты и несовершенства элементов конструкций. Данный факт обуславли-вает необходимость обследования и мониторинга состояния вновь возводимых зданий и сооружений как в процессе строительства, так и в процессе эксплуатации. Кроме того, логичным является использование результатов мониторинга в расчетных комплексах для корректировки расчетной схемы с целью установления более приближенных к реальным характеристикам рассматриваемого здания. В наше время практика использования результатов обследования и мониторинга при корректировке расчетных схем зданий и сооружений довольно широко распространена, однако степень автоматизации как процесса сбора данных, так и корректировки расчетной схемы находится на очень низком уровне. Эта проблема особенно актуальна при обследовании и последующей корректировке расчетной схемы зданий с большим количеством узлов, соединений и сварных швов в металлических конструкциях.
расчетный комплекс, учет дефектов, металлические конструкции, здания и сооружения
Техническое состояние здания в целом является функцией работоспособности отдельных конструктивных элементов и связей между ними. Математическое описание процесса изменения технического состояния строительных конструкций здания, состоящих из большого числа элементов, представляет значительные трудности. Это обусловлено тем, что процесс изменения работоспособности технических устройств, которыми, в частности, являются здания и сооружения, характеризуется неопределённостью и случайностью.
Факторы, вызывающие изменения работоспособности здания в целом и отдельных его элементов, подразделяются на две группы: внутренние и внешние.
К внутренним факторам относятся:
− физико-химические процессы, протекающие в материалах конструкций;
− нагрузки и процессы, возникающие при эксплуатации;
− конструктивные;
− качество изготовления.
К внешним факторам относятся:
− климатические (температура, влажность, солнечная радиация);
− характер окружающей среды (ветер, пыль, биологические факторы);
− условия эксплуатации.
Достоверная оценка технического состояния конструкций эксплуатируемых зданий и сооружений, как показала многолетняя практика обследования, может быть выполнена, если в поверочных расчётах адекватно отражены результаты натурного освидетельствования конструкций.
В процессе эксплуатации зданий и сооружений их техническое состояние изменяется. Это выражается в ухудшении количественных характеристик работоспособности, в частности надёжности. Ухудшение технического состояния зданий происходит в результате изменения физических свойств материалов, характера сопряжений между элементами конструкций зданий, а также размеров и форм этих элементов.
Причиной изменения технического состояния зданий являются также разрушения и другие виды потери работоспособности конструктивных материалов.
Наибольшее число дефектов, отказов и аварий приходится на процесс строительства и на начальный период эксплуатации зданий и сооружений. Главные причины: недостаточное качество изделий, монтажа, осадка оснований, температурно-влажностные изменения и т.д.
Обследование технического состояния строительных конструкций является самостоятельным направлением строительной деятельности, охватывающим комплекс вопросов, связанных с обеспечением эксплуатационной надёжности зданий, с проведением ремонтно-восстановительных работ, а также с разработкой проектной документации по реконструкции зданий и сооружений.
Обследование зданий выполняется с целью установления их пригодности к нормальной эксплуатации или необходимости ремонта, восстановления, усиления или ограничений в эксплуатации, как отдельных конструкций, так и зданий в целом [1].
После возведения конструкций их надежность должна поддерживаться на достаточном уровне путем правильной эксплуатации здания или сооружений, систематического наблюдения за состоянием конструкций и своевременным производством ремонта.
Каждая строительная авария является тяжелым, чрезвычайным происшествием. Многие аварии сопровождаются человеческими жертвами. Вот лишь некоторые примеры:
- обрушение покрытия печного корпуса Куйбышевского цементного завода (г. Жигулевск) в 1959 г.;
- разрушение стальных конструкций покрытия машинного зала Северодвинской ТЭЦ в 1964 г. [2];
- частичное обрушение кровли ледового катка «Полюс», 2009 г., Владивосток;
- обрушение стальной конструкции на одном из заводов концерна Рейн-Вестфальские Электростанции (РВЭ), Германия, Гревенброх, 2007 г. [12].
Вывод. Прибегая к помощи синергетического подхода к процессу гидратации и использования термодинамического метода выявляется возможность управления структурообразованием твердеющих систем и направлением его протекания. Так же данный подход разрешает собой проводить анализ состояния основных структурных элементов открытой метастабильной системы твердеющего многокомпонентного бетона. Выявить показатели полноты процессов в неравновесной системе с фиксацией нового состояния – от вязко-текучего до камневидного, т.е. переход к новому аттрактору. Эти определения четко поясняют механизм процесса гидратации и согласуются с положениями синергетики. Объектом дальнейших исследований представляется вычисление роли каждого компонента многокомпонентной высокопрочной твердеющей системы на основе значений их термодинамических параметров с учетом синергетических представлений.
Рис. 1. Разрушение металлических конструкций
ангара
Большинство аварий металлических конструкций зданий и сооружений можно предотвратить, организовав мероприятия по обследованию на стадии возведения и эксплуатации.
Состав работ по проведению обследований строительных конструкций зданий и сооружений, а также порядок их выполнения указаны в нормативной документации [11].
Поверочные расчеты, сопровождающие обследования металлических конструкций зданий и сооружений, выполняются согласно нормативной документации [5] как, например, в приложении 1 [4], где определяется фактическая несущая способность поперечных и главной продольной балки. Однако в наше время развития цифровых технологий расчеты все чаще проводятся в расчетных комплексах.
Очевидно, что такие расчеты необходимы для определения реального напряженно-деформированного состояния конструкции, однако в случае выявления большого числа дефектов в значительном количестве элементов конструкций (например в большепролетных металлических фермах или каркасах куполов) проведение расчетов как по СП [5], так и в расчетных комплексах становится чрезвычайно трудоемкой и ответственной задачей.
Анализ патентных материалов, отобранных в результате патентно-информационного поиска, показывает, что хорошо проработанными являются способы и методы мониторинга и обследования металлических конструкций. Вопрос, связанный с интеграцией результатов обследования и мониторинга в расчетные комплексы для уточнения напряженно-деформированного состояния конструкций, является малоизученным и имеет существенную научную новизну и актуальность. Ни в одной базе не было найдено патентов связанных с систематизацией результатов мониторинга/обследования металлических конструкций зданий и сооружений и интеграции этих результатов в расчетные комплексы для уточнения реального напряженно-деформированного состояния конструкций, несмотря на то, что и в Российской Федерации и в других странах такой опыт имеется.
Поиск по иностранным патентным базам данных «Espacenet» [14] и «Questel Orbit» [15] и по Российской патентной базе «ФИПС» [13] показал, что и в Российской Федерации, и за рубежом одинаковое внимание уделяется как способам определения напряженно-деформированного состояния конструкции, так и разработке приборов и оборудования для определения напряженно-деформированного состояния (табл. 1).
Таблица 1
Некоторые результаты поиска патентов в части определения НДС конструкций.
Патентная база данных ФИПС
|
Вид, страна, номер и приоритет охранного документа |
Правообладатель |
Наименование объекта интеллектуальной собственности |
|
Описание изобретения к патенту Российская Федерация: Классификация RU2 442 113 C1 10.02.2012 |
Автономное учреждение Ханты-Мансийского автономного округа-Югры "Югорский научно-исследовательский институт информационных технологий" (RU)
|
Способ и устройство определения нагруженности стержней пространственно-стержневых металлических конструкций |
|
Описание полезной модели к патенту Российская Федерация: Классификация RU 169 803 U1 03.04.2017 |
Хуснутдинова Ильвина Гамировна (RU) (автор и патентообладатель)
|
Устройство для бесконтактного контроля напряженно-деформированного состояния и уровня поврежденности металлических конструкций |
|
Описание изобретения к патенту Российская Федерация: Классификация RU 2 391 655 С2 10.06.2010 |
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный университет путей сообщения" (СГУПС) (RU) |
Способ диагностирования металлических конструкций и устройство для его осуществления |
|
Описание изобретения к патенту Российская Федерация: Классификация RU 2 523 073 С1 20.07.2014 |
Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (МИНПРОМТОРГ РОССИИ) (RU)
|
Устройство для определения механических напряжений на поверхности металлической конструкции путем введения фиксированного количества теплоты |
|
Описание изобретения к патенту Российская Федерация: Классификация RU 2 610 821 С2 15.02.2017 |
Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт стандартизации и унификации" (ФГУП "НИИСУ") (RU)
|
Способ оценки остаточного ресурса металлических деталей |
Особенно стоит отметить патенты на темы:
1) Способ и устройство определения нагруженности стержней пространственно-стержневых металлических конструкций;
2) Устройство для бесконтактного контроля напряженно-деформированного состояния и уровня поврежденности металлических конструкций;
3) Steel construction stress-strain measurement's program-controlled static electric resistance strain gauge.
Большое число патентов выполнено на территории стран Китайской Народной Республики.
Наиболее активно анализируемые разработки проводились в период 2014–2017 г. Это связано с развитием вычислительной техники и электроники.
В России не уделено должное внимание вопросам использования данных мониторинга/обследования металлических конструкций в расчетных комплексах для уточнения реального напряженно-деформированного состояния конструкции, однако с недавнего времени начали проводиться некоторые исследования. Из найденных работ особо стоит отметить диссертационные работы в этой области [6, 7].
Как в России, так и за границей, разработано большое количество расчетных комплексов, позволяющее довольно легко оценить напряженно-деформированное состояние конструкций зданий и сооружений численными методами. Однако в этих комплексах слабо проработан вопрос учета дефектов, в частности в металлических конструкциях зданий и сооружений. К таким дефектам можно отнести [4]:
- ослабления сечений металлических конструкций из-за коррозии, возникновения трещин, технологических надрезов;
- смещения элементов металлических конструкций относительно их проектного положения;
- недостаточные усилия затяжки болтов в болтовых соединениях металлических конструкциях зданий и сооружений;
- дефекты в сварных соединениях металлических конструкций зданий и сооружений;
- общие и местные искривления элементов металлических конструкций зданий и сооружений.
В ходе мониторинга объективная оценка технического состояния зданий и сооружений может быть получена только на основании результатов численных расчетов с обоснованной корректировкой расчетных моделей объектов, учитывающей изменения, произошедшие в ходе эксплуатации.
Поверочный расчет конструкций с учетом влияния дефектов и повреждений выполняется с целью установления:
– возможности дальнейшей эксплуатации конструкций без каких-либо ограничений;
– необходимости немедленного прекращения эксплуатации в аварийной ситуации;
– возможности ограничений эксплуатации конструкций до плановых ремонтно-восстановительных работ;
– необходимости усиления конструкций;
Поверочные расчеты также выполняются при оценке технического состояния зданий и сооружений, подлежащих ремонту или реконструкции.
Поверочные расчеты конструкций (несущих элементов) необходимо выполнять по фактическим расчетным схемам и фактическим сечениям с учетом влияния обнаруженных дефектов и повреждений; по уточненным значениям расчетных сопротивлений материала и соединений, а также действующих нагрузок и их сочетаний.
Таким образом, при поверочном расчете сооружения должна использоваться адекватная его текущему техническому состоянию расчётная модель, построенная, как правило, на основе метода конечных элементов (КЭ-модель) и актуализируемая на основании результатов инструментальных измерений. Данная модель должна с контролируемой точностью позволять оценивать фактическое техническое состояние сооружений на текущем этапе мониторинга. Однако, как показывает опыт, актуализация расчётных моделей либо не проводится, либо осуществляются вручную, что является длительным и трудоемким процессом [7]. Это обусловлено отсутствием как методов (правил) систематизации результатов обследования и мониторинга металлических конструкций зданий и сооружений, так и отсутствием методов автоматической корректировки конечно элементной модели.
В связи с вышеизложенным определена цель проводимого исследования: модернизация существующих научно-методологических основ, комплекса методов и средств систематизации результатов обследований и экспериментальных исследований возводимых и эксплуатируемых металлических конструкций зданий и сооружений, и разработка методики автоматизированной интеграции полученных результатов в расчетные комплексы.
Поставленная цель определяет задачи исследования:
1. Изучение отечественного и зарубежного опыта, а также современного уровня развития науки в рассматриваемой области.
2. Анализ состава и содержания комплекса обследования и мониторинга напряженно-деформированного состояния на этапе строительства и эксплуатации металлических конструкций зданий и сооружений.
3. Исследование технологии проведения, методы и средства систематизации результатов экспериментальных исследований, обследования и мониторинга напряженно-деформированного состояния, применяемых при строительстве и эксплуатации металлических конструкций зданий и сооружений.
4. Разработка методологических основ систематизации результатов экспериментальных исследований, обследования и мониторинга напряженно-деформированного состояния при строительстве и эксплуатации металлических конструкций зданий и сооружений с целью приведения получаемых результатов к виду, позволяющему автоматизировать процесс учета дефектов при уточнении расчётной схемы металлических конструкций зданий и сооружений.
5. Разработка методологических основ автоматизированной интеграции результатов экспериментальных исследований, обследования и мониторинга напряженно-деформированного состояния металлических конструкций зданий и сооружений в расчетные комплексы.
1. Леденёв В.В., Ярцев В.П. Обследование и мониторинг строительных конструкций зданий и сооружений. Издательство ФГБОУ ВО «ТГТУ», 2017 г. 252 с.
2. Беляев Б.И., Корниенко В.С. Причины аварий стальных конструкций и способы их устранения. Москва: Издательство литературы по строительству, 1968 г. 126 с.
3. https://lidermsk.ru/articles/36/obsledovanie-stalnyih-konstruktsij/
4. Технический отчет. Обследование строительных конструкций строения, расположенного по адресу: г. Москва, Бережковская набережная, д. 20. ОАО «ЦНИИ-Промзданий».
5. СП 16.13330.2011 Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81.
6. Коргин А.В. Научно-методологические основы и информационная технология автоматизации инженерных исследований при реконструкции сооружений: диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Москва, 2005. 329 с.
7. Ермаков В.А. Методика актуализации расчетных моделей зданий и сооружений в ходе мониторинга их технического состояния: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, 2012. 171 с.
9. http://apps.webofknowledge.com/
10. https://search.proquest.com/pqdtglobal/
11. ГОСТ 31937-2011 «Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния».
12. Еремин К.И., Махутов Н.А., Павлова Г.А., Шишкина Н.А. Реестр аварий зданий и сооружений 2001 - 2010 годов. ООО «ВЕЛД», Москва, 2011 г. 318 с.
