CC BY
52
Научно-технические разработки
УДК 614.8
Г.М. Нигметов к.т.н., Д.В. Бахмат, М.Ю. Прошляков, В.Е. Картавых
ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ПОДГОТОВКИ СЕРТИФИКАТА ИНЖЕНЕРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
В статье рассмотрены основы цифровой обработки сигнала и спектрального анализа, которые использовались при написании программного обеспечения к динамическому комплексу «Струна-3»; даны краткие характеристики программных средств, входящих в состав программного комплекса по подготовке сертификата инженерной безопасности зданий (сооружений)
М.Ю. Прошляков
В.Е. Картавых
На основе «Методики оценки и сертификации инженерной безопасности зданий и сооружений» разработан программный комплекс для подготовки сертификата инженерной безопасности. В программном комплексе представлены программы, позволяющие произвести быструю обработку, полученных диагностических данных по различным видам диагностики.
Первоначально обработка диагностических параметров проводи -лась вручную либо с использованием неудобных для работы программ в среде ДОС.
Теперь обработка данных производится с использованием современных программ в среде Windows с удобными графическими приложениями, что значительно ускоряет и упрощает оформление сертификата инженерной безопасности.
Программный комплекс предназначен для обработки полученных с помощью мобильного диагностического комплекса исходных геометрических, физико-механических и динамических параметров системы грунт-здание и определения:
- несущей способности грунта;
- несущей способности здания;
- степени повреждения здания;
- обнаружения скрытых дефектов в системе грунт-здание;
- определения устойчивости системы грунт-здание;
- разработки эффективных рекомендаций по обеспечению безопасной эксплуатации системы грунт-здание.
При выполнении расчетов на устойчивость учитываются:
- геометрические параметры здания (высота, ширина, длина);
- тип здания (кирпичное, блочное, панельное, каркасное, каркасно-панельное, монолитное и т.д.);
- тип и конструктивное решение несущих конструктивных элементов, включая фундамент;
- строение и физико-механические параметры грунтового массива;
- параметры и расположение дефектов на конструктивных элементах;
- физико-механические параметры конструктивных элементов;
- динамические параметры здания и грунтового массива.
В состав программного комплекса входит:
- Программа обработки результатов и управления системой динамического тестирования зданий и сооружений;
- Программа по обработке результатов высокоточного и визуального контроля геометрии строительной площадки и здания (сооружения);
- Программа по обработке результатов неразрушающего контроля строительных конструкций;
- Программа по обработке геофизических параметров строительной площадки.
Программа обработки результатов и управления системой динамического тестирования зданий и сооружений предназначена для согласования динамического комплекса «Струна» с персональным компьютером, обработки результатов и управления системой динамического тестирования зданий и сооружений.
Динамический комплекс «Струна» состоит из сейсмоприемни-
ков, преобразующих ускорения, действующих вдоль трех взаимно ортогональных направлений (измерительных осей) в пропорциональные электрические сигналы. Далее эти сигналы подаются на аналогоцифровой преобразователь, который преобразует их в цифровой сигнал и передает его на персональный компьютер, для дальнейшей обработки.
Частота оцифровки каждого канала была выбрана 800 Гц т.к. рабочий диапазон сейсмоприемника состовляет от 0,1 до 400 Гц, а исходя из теоремы Котельникова: функция с ограниченным спектром полностью определяется своими значениями, отсчитанными через интервалы:
(1)
где Б — ширина спектра функции.
2Б — так же называется частотой Найквиста.
Время измерения было определено исходя из эмпирического правила, что спектральное разрешение в герцах приближенно равно величине, обратной интервалу времени наблюдения сигнала в секундах:
(3)
(4)
— корреляционное окно Хэмминга,
(7)
больших временных сдвигах, поскольку эти значения дисперсии давали менее устойчивую оценку СПМ.
Прямой, или периодограммный способ спектрального анализа, основан на вычислении квадрата модуля преобразования Фурье для последовательности данных с использованием соответствующего статистического усреднения. Результирующая функция, получаемая без такого усреднения называется выборочным спектром, оказывается неудовлетворительной из-за статистической несостоятельности получаемых с ее помощью оценок, поскольку среднеквадратичная ошибка таких оценок сравнима по величине со средним значением оценки. Поэтому просто применять преобразование Фурье к записанному в течении 10 секунд сигналу для определения СПМ нецелесообразно. Уэлчем был предложен следующий метод оценки СПМ. Запись данных из х[0] ... х^-1] отсчетов разбить на Р сегментов по D отсчетов в каждом со сдвигом S отсчетов между соседними сегментами (S=D/2). Форма оценки СПМ методом Уэлча имеет следующий вид:
р і
(2)
где N — количество отсчетов,
Т — период отсчетов.
Минимальное спектральное разрешение решено было принять 0,1. Подставляя значения спектрального разрешения в (2) получаем:
* Р=О
(8)
где Р (Р)— выборочный спектр взвешенного Р-го
сегмента
где
Х^(/) = Т^[п]е
(9)
(10)
и=0
где произведение NT есть время наблюдения сигнала в секундах.
Из (4) следует, что минимальное время наблюдения сигнала должно быть 10 секунд. Далее были рассмотренны два класических метода определения спектральной плотности мощности (СПМ). Косвенный метод или коррелограмный, основан на использовании последовательности значений данных для расчета автокорреляционной последовательности, преобразование Фурье которой дает искомую СПМ. Блэкманом и Тьюки была предложена следующая форма для оценки СПМ:
где ^N/10 — максимальный индекс временного
сдвига;
со[ш] = 0,54 + 0,46 со$(2л?[//]) (6)
— дискретно-временное преобразование Р-го сегмента, а
и = т'£со2[п]
(11)
и=0
АГ~Ь и=0
— автокорреляционная последовательность. Причина выбора такого максимального значения L — стремление устранить большие значения дисперсии, связанные с оценками автокорреляции при
— энергия дискретно-временного окна.
При 50 % перекрытии сегментов все данные используются дважды, за исключением D/2 отсчетов на каждом конце N точечной последовательности данных, а это выравнивает обработку большинства отсчетов данных, поскольку те отсчеты, которые имели малые веса на одном сегменте, получают большие веса на следующем сегменте.
Сравнивая эти два метода на реальном сигнале получились следующие графики (рис. 1)
Как видно СПМ периодограммного метода более детальна, и что не мало важно выражена более ярко в низкочастотной части спектра. Поэтому в качестве оценки СПМ решено было взять за основу именно периодограммный метод. А для того, что бы оценки СПМ были статистически состоятельными увеличиваем время наблюдения сигнала до 20 секунд.
В качестве предварительной обработки сигнала для его сглаживания и фильтрации был опробован фильтр низких и высоких частот Баттерворта, а так же фильтрация при помощи вейвлетов Добеши. Оценки СПМ сигнала после применения этих фильтров
Научно-технические разработки
Научно-технические разработки
ощутимо повысить качество не смогли, поэтому от них решено было отказаться.
Дальнейшее развитие программного обеспечения для динамического комплекса «Струна-3» будет вестись в сторону автоматического определения собственных частот колебания конструкции и автоматического построения эпюр перемещения, что на порядок уменьшит время необходимое
для подготовки заключения по динамическим характеристикам обследуемой конструкции.
Программа по обработке результатов высокоточного и визуального контроля геометрии строительной площадки и здания (сооружения) (рис. 2) предназначена для построения вертикальных и горизонтальных створов, расчета кренов, уклонов, осадок и прогибов.
л-
М
■> .
I
О 20 «0 60 80 100 130 140 100 160 300 320 2*0 360 360 300 ЭЯ МО МО 380
б
Спмгр
Рис. 1. Метод оценки СПМ а) исходный сигнал; б) оценка СПМ коррелограмным методом Блэкмана Тьюки;
^ оценка СПМпериодограмным методом Уэлча
Рис. 2. Программа по обработке результатов высокоточного и визуального контроля геометрии строительной площадки
и здания (сооружения)
Программа по обработке результатов неразрушающего контроля строительных конструкций (рис. 3) предназначена для снятия данных с ультразвукового прибора и склерометра и обработки результатов неразрушающего контроля строительных конструкций, получения параметров прочности, определения величин разбросов.
Программа по обработке геофизических параметров строительной площадки (рис. 4) предназначена для получения геометрических, физико-меха-
нических и динамических параметров грунтового массива.
Данная программа имеет модуль связи с сейсморазведочным комплексом «Лакколит-24», позволяет принимать данные непосредственно с него.
В настоящее время продолжаются работы по модернизации программного комплекса, созданию программ позволяющих в автоматическом режиме выполнять мониторинг системы грунт-здание и определять категорию их инженерной безопасности (рис. 5).
3*Р«<ЧГ| прочное 1 и .^ОШІ
_
ОСК_И И
Гр*»іа УчгЛ Ш 1 Зкг«»*« 11 Эначе»*« 2\ Значение 3|Ср аеи«м |с»гма | ¡0 95 |Прорость |
НННЕЯ •] г і 2320 1250 2690 2006 667 747 819 825946 5630
Зиаг«?***е 2010 1210 2250 2090000 811911 721229 4 897
1 Л 3 Э620 3700 3700 3673333 46188 3595 467 25 016
1 ♦ 1 4 2350 2360 1850 2186667 291 605 1695061 11 713
12320 1250 |2690 5 рчо |4Э40 2110 3396667 1153964 1451 241 10007
6 2670 2810 1820 2433 333 535 755 1530 124 10 559
^ ОчСТМТЬ 7 2770 2440 1640 2283 333 581 062 1303 742 8 974
8 2590 2520 2610 2573 333 47258 2493663 17 304
бет вміть <• Зйа* в Гр N>1 С Знач в рази гр 9 2680 2520 2740 2646667 113725 2454 942 17033
Белое 2 Рас«*«тать Й Вставить
I
Рис. 3. Программа по обработке результатов неразрушающего контроля строительных конструкций
и М—— • .ПС ІІ4 I * - д, —
Рис. 4. Программа по обработке геофизических параметров строительной площадки
Рис. 5. Программа по обработке результатов в автоматическом режиме
ТЕХНОЛОГИИ ГРАЖДАНСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
Научно-технические разработки
