CC BY
31Расчет конструкций
------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Научно-технический и производственный журнал
УДК 693.97
Г.Г. БОЛДЫРЕВ, д-р техн. наук, A.A. ЖИВАЕВ, инженер, Пензенский государственный университет архитектуры и строительства
Статический и динамический мониторинг
ледовой арены
Представлено описание системы мониторинга текущего поведения ледовой спортивной арены, перекрытой металлическими фермами пролетом до 78 м. Система мониторинга включает две независимые подсистемы для оценки статического и динамического поведения основных несущих конструкций здания. Определение начальных напряжений и деформаций в элементах, конструкций выполнено с использованием программного комплекса ANSYS. Процесс сбора данных с датчиков выполнен при помощи программы Geotek SHM. Динамический анализ выполнен с использованием программы Artemis Extractor Pro.
Ключевые слова: статический и динамический мониторинг, датчики, расчет напряженно-деформированного состояния.
Программа SHM предназначена для оценки текущего технического состояния основных несущих конструкций здания в процессе его эксплуатации и позволяет оценить уровень деформаций (напряжений) в элементах ферм покрытия, прогиб ферм покрытия, отклонения колонн каркаса от вертикали и динамические характеристики железобетонных балок трибун для зрителей. В 2008 г. на конструкциях ледовой арены вместимостью 15 тыс. зрителей в Омске установлена эта программа.
Здание ледовой арены имеет в плане размеры 148,2x88,2 м (рис. 1). Отметка верха покрытия 19,35 м. Каркас здания состоит из железобетонных колонн, шарнирно опертых на них металлических ферм пролетом от 31 до 78 м, железобетонных балок подтри-бунного пространства, плит перекрытий в монолитном и сборном исполнении. Пространственная жесткость каркаса обеспечивается вертикаль-
ными связями по колоннам, диафрагмами жесткости, вертикальными и горизонтальными связями по фермам и распорками.
В процессе работы программа Geotek SHM проводит два типа измерений - статические и динамические.
При статических измерениях определяются деформации, а по ним напряжения в элементах стальных ферм покрытия. Для измерения деформаций используются датчики деформации, которые были установлены в области наибольших предполагаемых деформаций, определенной расчетом методом конечных элементов с использованием программы ANSYS. Для наблюдения за отклонением колонн от вертикали используются датчики наклона, которые установлены в верхней части несущих колонн, имеющие наибольшие углы отклонения от вертикали. Прогиб ферм в центральной части пролета определяется при помощи измерения углов поворота их узлов.
При динамических измерениях выполняется определение частот колебаний несущих железобетонных балок трибун для зрителей. На одной из балок были установлены датчики перемещения для наблюдения за шириной раскрытия возникших на балке трещин. Динамические характеристики - собственные частоты колебаний, формы деформации и декремент затухания определялись с использованием программы Artemis Extractor Pro.
Общей задачей рассматриваемой программы Geotek SHM является непрерывная одновременная оценка возможности возникновения двух предельных состояний. Например, работоспособность большинства железобетонных конструкций определяется их прочностью и деформативностью (прогибы и повороты) и достижением предельных раскрытий трещин. В то же время для стальных конструкций раскрытия трещин не допускается, а коррозия может быть определяющей и привести к изменению их напряженно-деформированного состояния.
В ряде нормативных документов - ГОСТ 27751-88 (СТ СЭВ 384-87) «Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения по расчету»; СТО 36554501015-2008 «Нагрузки и воздействия»; СНиП 2.03.01-84* «Бетонные и железобетонные конструкции»; СП 50-1012004 «Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений»; РБ-045-08 «Динамический
Рис. 1. Ледовая арена в Омске: а — общий вид; б — стальные фермы конструкции покрытия
Научно-технический и производственный журнал
ц м .1
Расчет конструкций
100
10-3
Стабилизационная диаграмма собственных частот SDOF
Зашумленная мода Нестабильная мода Стабильная мода
■ ИПЬГНСГц] ii-OMSft
3 ди[}ЛЗЭ1 . J Ч Dili —1»гэм&1|Гц]-Ji J_MB
70
65
60
55
М|Гч1
15 20
Частота,[Гц]
25
30
Температурные графики
от от от от от от от от от от от от от от отототототототот--— -.— -.— -.— -.— -.— отототототототототототототот смсмсмсмсмсмсмсмсмсмсмсмсмсм
CM СО LO ЧЭ СО
Рис. 2. Спектры отклика балок трибун от импульсного воздействия Рис. 4. Показания датчиков температуры и деформации
10
10
5
10
Рис. 3. Распределение перемещений в элементах несущих конструкций, м
мониторинг строительных конструкций объектов использования атомной энергии» приведены нормируемые предельные значения параметров, не допускающие возникновения предельных состояний. К таким параметрам относятся прогибы и повороты элементов конструкций или зданий в целом (осадка и крен), а также прочность материалов конструкций.
При этом по каждому виду нормируемого параметра конструкция может иметь различный коэффициент использования. Коэффициентом использования называется отношение рассчитываемого параметра в текущем напряженно-деформированном состоянии к предельному значению. Например, коэффициент использования по напряжению вычисляется как отношение текущего напряжения к расчетному сопротивлению материала. Коэффициент использования принимает значения в интервале 0-1. При величине коэффициента больше единицы конструкция теряет работоспособность. По величине коэффициента использования можно оценить состояние конструкции.
При проведении обследования использован следующий набор техниче-
ских средств: система статического мониторинга; система динамического мониторинга; программное обеспечение.
Система статического мониторинга включает следующие компоненты: персональный компьютер с установленной программой Geotek-SHM, работающей под управлением операционной системы MS Windows XP; блоки питания; блоки усиления сигналов с датчиков и преобразования их в цифровой вид, объединенные в магистрали; датчики деформации; датчики раскрытия трещин; датчики наклона; датчики температуры; кабельные линии.
Комплект технических средств SHM включает индустриальный персональный компьютер; преобразователи интерфейса 422/232; блоки питания ГТ6.0.9, питающие магистрали напряжением +24В; программное обеспечение - WCommScanCS5.06DB и базу данных MS SQL2005; блоки сбора данных ГТ6.0.8; датчики деформации и наклона. Датчики деформации и датчики наклона подключаются к блокам ГТ6.0.8, которые имеют АЦП и ЦАП. Питание этих блоков выполняется напряжением +24В от блоков питания ГТ6.0.9. Данные измерений с сенсорных узлов через информационную магистраль и интерфейс передаются на компьютер.
В данном проекте применены датчики деформации и датчики наклона. Датчики деформации установлены на нижнем и верхнем поясах стальных ферм, а датчики наклона размещены в верхней части железобетонных колонн и на нижних поясах ферм покрытия. Эти датчики сконструированы с использованием элементов Холла модели SS49E, Honeywell, США и на базе акселерометров iMEMS моде-
ли ADXL103, Analog Devices, США соответственно.
В качестве датчика деформаций в рассматриваемом проекте используется датчик перемещения, основанный на эффекте Холла. Элемент оснащен усилителем и средствами, снижающими влияние температурных изменений. Тем не менее в датчик деформации введен термокомпенсатор. Им служит дополнительный элемент SS49E, изолированный от магнитного поля. Сигналы с элементов SS49E поступают на дифференциальный усилитель, размещенный в блоке ГТ6.0.9. Дифференциальный усилитель программируется по коэффициенту усиления и смещению начального уровня. При минимальном коэффициенте усиления датчик обеспечивает отсчет величин деформаций в диапазоне +75 мкм с разрешением +0,04 мкм.
В датчике наклона используются акселерометры, изготавливаемые по технологии MEMS. В датчике наклона ГТ5.4.3 используется однокоординат-ный акселерометр модели ADXL103, Analog Devices, США. Элемент имеет чувствительность 1000 mV/g. Сигналы с элемента ADXL103 и дополнительного делителя напряжения поступают на дифференциальный усилитель. Дифференциальный усилитель программируется по коэффициенту усиления и смещению начального уровня. При минимальном коэффициенте усиления датчик обеспечивает отсчет углов наклона в окне +3,5о (нелинейность +0,5%) с разрешением +0,0018о и допускает перемещение окна в диапазоне +25о.
В качестве датчика температуры используются полупроводниковые специализированные процессоры фирмы Analog Devices моделей AD592
62011
37
Расчет конструкций
(-25-105оС), TMP17 (-40-105оС), AD22103 (0-100оС) и др. В блоке ГТ6.0.8 используется процессор модели AD22103. Совмещение источника питания процессора и источника эталонного напряжения АЦП позволяет устранить влияние дрейфа питающего напряжения. Ошибка +2,5оС, линейность +0,5оС.
Система динамического мониторинга. Для наблюдения за колебаниями несущих железобетонных балок трибун в проекте применен вибро-сейсмоизмерительный комплекс Гео-СВК фирмы Геоакустика, состоящий из персонального компьютера с установленной программой GAZ4KAN, работающей под управлением операционной системы MS Windows98; контроллера связи, соединенного с компьютером и измерительными модулями; измерительного модуля с подсоединенными к ним акселерометрами; одноко-ординатных пьезоэлектрических акселерометров типа А16 с рабочим диапазоном частот от 0,1 до 100 Гц.
Система динамического мониторинга работает автономно, независимо от системы статического мониторинга. В обоих случаях информация поступает в одну базу данных.
Результаты динамических измерений (рис. 2) используются для определения динамических характеристик балок трибун и контроля изменения (стабильности) динамических характеристик во времени. Динамические характеристики - это частоты, формы и параметры затухания собственных колебаний. Вычисление этих характеристик выполняется с использованием программного комплекса Artemis Extractor Pro.
Программное обеспечение. Общее управление выполняется разработанной программой Geotek SHM, которая является программно-техническим средством, функционирующим непосредственно на объектах и осуществляющим мониторинг в рамках автоматизированного контроля изменения технического состояния элементов строительных конструкций [1]. Программа обеспечивает передачу информации о состоянии элементов конструкций по каналам проводной или беспроводной связи в дежурную диспетчерскую службу для последующей обработки с целью оценки, предупреждения и ликвидации последствий дестабилизирующих факторов в реальном времени.
Программа обеспечивает прогнозирование и предупреждение аварийных ситуаций путем контроля за параметрами состояния конструктивных элементов зданий и определения отклонений их текущих значений от нормативных с применением критерия использования.
Расчет напряженно-деформированного состояния конструкций при статическом и динамическом нагруже-нии, собственных частот и форм колебания, коэффициента запаса устойчивости всего здания ледовой арены выполнен в программе ANSYS.
При создании конечно-элементной модели использовались следующие типы элементов: для моделирования балочных элементов конструкции использовались балочные элементы ВЕАМ188; для моделирования покрытия и плит трибун использовались оболочечные элементы SHELL43; для моделирования связей в элементах конструкции использовались элементы связи МРС184; для приложения распределенных нагрузок на элементы конструкции использовались поверхностные элементы SURF154 и SURF156.
Распределение перемещений в элементах несущих конструкций спортивного комплекса для случая первой комбинации нагружения показано на рис. 3. Как видно на большей части покрытия здания, прогиб ферм в центре пролета равен 0,325 м, причем прогиб ферм уменьшается по направлению к торцам здания до 0,144 м.
Анализ показаний датчиков за период 2009-2010 гг. свидетельствует о влиянии некоторых факторов на показания измерительных каналов, которые включают датчики, блоки электроники, источники питания и кабельные линии. Наиболее существенное влияние оказывает температура окружающей среды и снеговая нагрузка.
Очевидным постоянно действующим фактором, оказывающим влияние на все измерительные каналы программы Geotek SHM, является не только внешняя нагрузка и собственный вес конструкций, но и окружающая температура. Суточные колебания температуры можно наблюдать на графиках показаний датчиков деформации, наклона и самой температуры. Поэтому оценку работы измерительных каналов можно связать с суточными колебаниями температуры: если канал исправен, то он реагирует
Научно-технический и производственный журнал
на суточные колебания температуры. Оценить наличие суточных колебаний можно при помощи спектрограмм.
У измерительных каналов деформации картина отличается несущественно: максимум колебаний показаний также приходится на период в одни сутки, что говорит о том, что их показания зависят от температуры.
Влияние снеговой нагрузки. Программа Geotek SHM выполняет измерения деформации элементов ферм покрытия непрерывно, включая все времена года. Выполненные наблюдения показали изменения в показаниях измерений в зимний период времени.
На рис. 4 в областях «Нагрузка 1» и «Нагрузка 2» зафиксировано явное изменение показаний всех датчиков деформации при относительно стабильных показаниях датчиков температуры. Эти области соответствуют зимним периодам. При этом в весенне-летне-осенние периоды датчики четко следуют за температурными дрейфами. Это свидетельствует о том, что зимой возникает столь существенный фактор воздействия на датчики, а значит, и на строительные конструкции, что температура перестает играть определяющую роль.
Таким образом, опыт эксплуатации разработанной системы мониторинга конструкций показывает на возможность использования автоматизированных систем для непрерывной оценки технического состояния строительных конструкций.
В результате анализа данных натурных измерений было выявлено несколько типичных температурных явлений. Все температурные явления оказывают влияние на показания датчиков деформации и наклона. Наибольшее влияние на изменение температуры оказывает воздушная система отопления-вентиляции ледовой арены.
В зимний период дополнительная снеговая нагрузка не превышает опасных значений, однако характер изменений показаний датчиков свидетельствует о сильном влиянии дополнительной нагрузки на покрытие здания.
Литература
1. Болдырев В.Г., Валеев Д.Н., Жи-ваев А.А., Нестеров П.В. Системы мониторинга строительных конструкций зданий и сооружений // Жилищное строительство. 2010. № 10. С. 38-43.
