Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
3
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ
ЯРАС Володимир Ігорович
УДК 620.179.162:004.942
АВТОМАТИЗОВАНА СИСТЕМА ЕКСПРЕС-ДІАГНОСТИКИ БЕТОННИХ ПАЛЬ І СТОВПІВ У ґРУНТІ
Спеціальність 05.13.07 –Автоматизація технологічних процесів
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ –
Дисертацією є рукопис
Робота виконана у Київському національному університеті будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент
Городжа Анатолій Дмитрович,
професор кафедри електротехніки та електроприводу
Київського національного університету будівництва і архітектури
Міністерства освіти і науки України.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Михайленко Віктор Мефодійович,
професор кафедри прикладної математики Київського
національного університету будівництва і архітектури Міністерства
освіти і науки України,
кандидат технічних наук, старший науковий співробітник
Сисак Роман Михайлович,
старший науковий співробітник відділу теоретичної електротехніки
Інституту електродинаміки НАН України.
Провідна установа: кафедра автоматизації хімічних виробництв Національного
технічного університету України “Київський політехнічний
інститут” Міністерства освіти і науки України.
Захист відбудеться “27” квітня 2006 року о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.01 у Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ, пр. Повітрофлотський, 31, ауд. 466.
З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ, пр. Повітрофлотський, 31.
Автореферат розіслано “24”березня 2006 року.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
кандидат технічних наук, доцент Цюцюра С.В.
загальна характеристика роботи
Актуальність теми. За останні декілька десятиріч будівництво практично повністю перейшло на застосування буронабивних та буроін’єкційних паль при виготовленні фундаментів під висотні споруди.
Порушення технологій і дефекти, що виникають при виробництві пальових конструкцій, можуть призвести до утворення деформацій, аварійних ситуацій та руйнувань у будинках і спорудах, що будуються, або введені в експлуатацію. Незважаючи на те, що технології і технологічне обладнання постійно вдосконалюються, повністю виключити утворення дефектів неможливо. В цих умовах проектувальники свідомо ідуть на завищення запасів несучої здатності фундаментів. Це призводить до перевитрати матеріалів і підвищення вартості будівництва.
Для діагностики заглиблених паль найбільш прийнятним є акустичний імпульсний луно-метод з ударним збудженням пружної хвилі. Сучасні інформаційно-вимірювальні системи, які реалізують цей метод, пропонують спеціалізовані фірми Франції, США, Нідерландів, Ізраїлю. Подібні системи, які включають і останні розробки КНУБА, побудовані на базі сучасних інформаційних технологій.
Незважаючи на відносно високі можливості існуючих систем, якість і достовірність результатів обстежень до цього часу великою мірою залежить від кваліфікації і навичок оператора системи. Крім того, для даного класу апаратури процедура обстежень пальових об’єктів складається з робіт, що виконуються безпосередньо на об’єкті з подальшим аналізом результатів у лабораторії. Це затягує процес прийняття рішення. Оскільки в умовах масового будівництва до систем контролю висувається вимога отримання результатів безпосередньо під час обстеження, або одразу після його закінчення, то розробка високомобільної системи автоматизованого тестового контролю заглиблених паль, яка дає високу точність і достовірність результатів обстежень, і не висуває підвищені вимоги до кваліфікації оператора, є актуальною.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні наукові і практичні результати дисертаційної роботи отримані під час виконання комплексу робіт за програмою Держбуду України (рішення № 52 від 7.09.2001 р.) “Дослідження нової технології влаштування буроін'єкційних паль великого діаметра (більше 0,4 м) з напорним бетонуванням крізь пустотілий шнек та розробка зміни № 1 до СНиП 2.02.03. –“Свайные фундаменты” та зміни № 1 до СНиП 3.02.01. –“Земляные сооружения, основания и фундаменты”, а також у рамках господарських договорів з організаціями “Фундамент”, “Основа-Солсіф”, “Будмеханізація”, проектними інститутами “Київпроект”, “Київ Союздорпроект”.
Мета і задачі досліджень. Метою роботи є проведення теоретичних та інженерних розробок для створення високомобільної автоматизованої системи оперативного тестування паль у ґрунті та інших залізобетонних лінійних будівельних конструкцій, що дає можливість на відміну від існуючих:
– оперативно отримувати результати обстежень під час досліджень на об’єкті;
– зменшити вимоги до кваліфікації оператора при збереженні достовірності результатів і їх якості за рахунок переорієнтації деяких функцій оператора системі.
Для досягнення мети були поставлені такі задачі:
– розробити модель, що імітує процеси збудження хвилі стиску, її проходження і затухання у тілі конструкції, а також взаємодії з дефектом;
– розробити алгоритми і методики реєстрації, обробки, аналізу хвильових процесів, а також оперативного прийняття рішень про кондиційність конструкцій;
– розробити технічні засоби і програмне забезпечення автоматизованої системи експрес-діагностики паль (конструкцій).
Об’єктом дослідження є стрижневі будівельні конструкції, тобто відкриті та заглиблені бетонні та залізобетонні палі.
Предметом дослідження є хвильові процеси у залізобетонних палях при ударному збудженні з боку вільного торця.
Методи дослідження –математичне моделювання хвильових процесів з використанням чисельних методів; дослідження теорії сигналів; експериментальні дослідження ударних імпульсів та хвильових процесів у стрижньових будівельних конструкціях.
Наукова новизна одержаних результатів.
Достовірність результатів дослідження підтверджується збіжністю результатів численого моделювання з даними натурних експериментів.
Практичне значення одержаних результатів. Результати теоретичних досліджень були використані при розробці і виготовленні автоматизованої системи тестового контролю залізобетонних лінійних будівельних конструкцій КСДК-3.3. Система успішно пройшла польові випробування та метрологічну атестацію, про що отримане Свідоцтво УкрЦСМ № 361–від 29.12.1999 р.
За допомогою системи обстежувалися пальові об’єкти Києва, Дніпропетровська, Запоріжжя, а також палі під опори прольотних конструкцій моста через р. Каму біля м. Сороч’ї Гори (Росія).
Система використовувалась для обстеження дослідних паль при виконанні програми робіт (Держбуду України) по підготовці змін і доповнень до діючих нормативних документів (СНиП 2.02.03. –85 і СНиП 3.02.01. –).
Особистий внесок здобувача в отриманні наукових результатів полягає в тому, що наукові положення, які складають суть дисертації, сформульовані і вирішені ним самостійно. В публікаціях, підготовлених у співавторстві, дисертантові належать: в [2] –обґрунтування вибору багатоканальної системи вводу інформації; в [3] –одержання аналітичного виразу для поглиненої потужності імпульсу; в [4] –одержання вирішувальної функції багатоканальної системи вводу інформації; в [5] –класифікація можливих дефектів буроін’єкційних паль та загальна структура системи контролю.
Апробація результатів дисертації. Матеріали роботи доповідались і обговорювались під час Міжнародної науково-технічної конференції “Техническая диагностика и неразрушающий контроль” (Харків, ХТУРЕ, 1998 р.); 57-ї (1997 р.), 58-ї (1998 р.), 59-ї (1999 р.), 60-ї (2000 р.), 61-ї (2001 р.), 62-ї (2002 р.), 63-ї (2003 р.), 64-ї (2004 р.), 65-ї (2005 р.), науково-практичної конференції професорсько-викладацького складу Київського національного університету будівництва і архітектури.
Публікації. Основні результати дисертації опубліковано в 7 друкованих працях, 6 з них –у виданнях за переліком та вимогами ВАК.
Структура та обсяг дисертації. Робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків та додатків. Вона викладена на 193 сторінках і містить
сторінки основного тексту, 58 рисунків, список використаних джерел із 141 найменувань на 16 сторінках та додатки на 26 сторінках.
основний зміст
У вступі обґрунтувано актуальність теми, показано зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами, сформульовано мету і задачі дослідження, вказано на об’єкт та предмет дослідження, викладено наукову новизну, наведені дані про практичне значення одержаних результатів, апробацію та публікації.
У першому розділі детально систематизовано основні дефекти, що виникають у пальових конструкціях різного виконання. Огляд проведено стосовно трьох основних типів бетонних і залізобетонних паль, а саме: забивних, буронабивних буроін’єкційних (SFA) паль. Проаналізовано методи обстеження залізобетонних паль, опор тощо, при цьому встановлено: метод колонкового буріння заглиблених паль використовується винятково рідко через велику вартість та низьку достовірність; метод гама- і ультразвукового каротажу має достатню достовірність, але з причини високої вартості його застосовують тільки у відповідальних і великогабаритних конструкціях типу опор мостів, фундаментів башт тощо; акустичні часові методи наскрізного і поверхневого прозвучування широко застосовуються для контролю відкритих будівельних виробів і конструкцій, у тому числі забивних паль перед зануренням. Проанотовані основні теоретичні засади, на яких базуються дані методи. Описані принципи дії та шляхи вдосконалення приладів. Перераховані методи принципово не здатні виявити більшість типових дефектів в заглиблених палях. для масового контролю заглиблених паль єдино придатним є акустичний луно-метод. За достовірністю він займає проміжну позицію між методами буріння і каротажу та має найнижчу вартість при великих обсягах робіт. Тому луно-метод є найбільш перспективним методом для впровадження на будівельних об'єктах.
Луно-метод на частотах ультразвуку 0.5...10 МГц широко застосовується для дефектоскопії виробів із дрібноструктурних матеріалів –металів, пластмас, кераміки, композитів тощо. Для дослідження конструкцій із залізобетонних конструкцій випускаються прилади, що використовують частоти порядку 25...100 кГц. У цьому діапазоні, застосовуючи навіть потужні генератори ультрахвильових імпульсів, зафіксувати відбиту хвилю при обстеженнях конструкцій довше 5...6 м практично неможливо.
Для дефектоскопії залізобетонних паль пропонується удосконалити видозмінений луно-метод. Він полягає в ударному збудженні хвилі стиску з вільного торця палі. За кордоном метод одержав назву Impact-Echo. Частотна область хвильових процесів при цьому виді генерації становить 0,5...5 кГц.
В іншому метод мало відрізняється від класичного. У будівельній галузі представлено декілька фірм, що пропонують Impact-Echo апаратуру для дефектоскопії залізобетонних паль. Серед них можна виділити фірми Pile Dynamics Inc., США; CEBTP, Франція; Piletest Ltd, Ізраїль; НДЛ ДАКІС, КНУБА, Україна.
Певні недоліки сучасної серії приладів для неруйнівного контролю залізобетонних паль луно-методом з ударним збудженням пружної хвилі обумовили необхідність проведення подальших теоретичних та інженерних розробок. Крім того, збільшення обсягів будівництва викликало зростання обсягів робіт щодо обстеження пальових фундаментів. Це, в свою чергу, разом із деякими іншими об’єктивними та суб’єктивними факторами зумовило необхідність створення автоматизованої системи експрес-діагностики паль.
Другий розділ. Задачі, що поставлені у роботі, вирішуються за допомогою математичної моделі хвильових процесів у стрижньовій бетонній конструкції, яка повинна враховувати геометричні параметри об’єкта контролю, умови збудження зондуючого впливу, поглинання енергії пружної хвилі матеріалом палі і оточуючим середовищем, перешарування останнього ґрунтами з різними акустичними властивостями.
При побудові хвильової моделі відкритої і зануреної стрижньової конструкції прийняті такі допущення: механічні процеси у бетонній конструкції описуються відповідно до однієї з моделей в’язко-пружного середовища; стрижньова залізобетонна конструкція представляється у вигляді однорідного стрижня, так що при збудженні з одного торця розповсюджується тільки поздовжня хвиля; пружна хвиля у відкритій палі загасає тільки за рахунок поглинання ії енергії матеріалом і взаємодії з дефектом; вплив ґрунту на загасання хвилі в заглибленій палі враховується збільшенням диссипативної складової, що присутня у моделі в’язко-пружного середовища.
Відповідно до першого припущення, залізобетонний стрижень було змодельовано у вигляді набору комірок Максвелла (рис. 1). Комірки являють собою набір зосереджених мас, з’єднаних між собою елементами пружності і в'язкості з модулем пружності Е і коефіцієнтом загасання коливань Сm відповідно.
Поздовжні коливання в тілі однорідного стрижня з урахуванням пружної та в’язкої складових описуються рівнянням
, 0 < x < l, t > 0, (1)
де u –переміщення перерізу при коливанняx вздовж x; t –час;
–швидкість поширення пружної xвилі у матеріалі стрижня;
–щільність матеріалу; l –довжина стрижня.
Початкові умови:
(2)
Гранична умова для верхнього кінця стрижня (x =0) визначається як
, (3)
де ul(t) –переміщення верхнього кінця стрижня як функції часу.
Для виконання цієї умови у роботі моделюється імпульс ударного збудження. Згідно з Ю.В. Ланге останній можна представити у вигляді:
, (4)
де , (5)
де um –максимальне переміщення поверхні у зоні контакту;
k –коефіцієнт асиметрії;
T –повна тривалість ударного імпульсу.
Залежність (4) дозволяє представити імпульси з будь-яким ступенем асиметрії, а також з достатньою точністю відтворити ударний вплив на конструкцію. Для ідентифікації параметрів um, k, T моделі ударного імпульсу були проведені натурні експерименти, у процесі яких реєструвалися параметри удару.
Для нижнього кінця відкритого стрижня (x=l) гранична умова записується у вигляді:
(6)
де ur(t) –переміщення нижнього кінця стрижня.
Для палі, що знаходиться в ґрунті, нижній її кінець при своїx коливанняx взаємодіє з ґрунтом, віддаючи останньому частину своєї енергії. Будемо вважати, що опір рухові нижнього кінця палі пропорційний його переміщенню, тобто
, (7)
де –коефіцієнт пропорційності, який залежить від форми палі, зокрема, від площі її поперечного перерізу та від властивості руxу.
Для чисельної реалізації моделі використовується явна різницева схема:
(8)
де s, v –номери кроків за x та t;
h, τ –розміри кроків відповідно;
m – число відрізків, на які розбивається стрижень по довжині для розраxунку.
Розроблено програмне забезпечення (ПЗ), яке дозволяє проводити комп’ютерне моделювання хвильових процесів у відкритих та заглиблених у ґрунт залізобетонних палях при ударному збудженні і таких вхідних даних: довжина конструкції; наявність дефекту, його координата по довжині та площа; показник загасання хвилі у матеріалі палі; показник загасання хвилі за рахунок випромінювання у оточуючий ґрунт; параметри зондуючого імпульсу тощо.
На основі цього початкового стану та при заданиx граничниx умоваx послідовно крок за кроком чисельено розв’язується диференціальне рівняння (1); графічний інтерфейс ПЗ забезпечує необхідну візуалізацію розв’язку.
На рис. 2, а показано розрахована сигналограма хвильового процесу в заглибленій 15-метровій палі з дефектом (послаблення площі перерізу 20%), що знаходиться на глибині 10 м для швидкості (рис. 2, а) і прискорення
(рис. 2, б) переміщення торця палі.
Під час проведених польових досліджень експериментально встановлена адекватність розробленої моделі хвильовим процесам, що розповсюджуються у палі в результаті ударного збудження.
У дисертації запропоновано метод адаптивного формування еталонної моделі сигналограми хвильового процесу, що забезпечує функцію оперативного відбраковування некондиційних бетонних та залізобетонних паль. Полягає він у такому:
а) задаються апріорні дані про пальовий об’єкт, що обстежується, а саме –геометричні параметри паль; механічні властивості бетону; поглинаючі властивості шарів ґрунту, що оточують конструкції; максимально допустимий дефект, що дозволено проектувальником;
б) моделювання в одній координатній площині декількох сигналограм хвильових процесів у палі зі зміщеними з певним кроком координатами допустимого дефекту і побудова обвідної максимумів відлунь від цих дефектів (рис. 3). Дана функція також закладена у ПЗ. Рис. 3 демонструє обвідну, що сформована для 15-метрової палі відлуннями від дефекту 20% перерізу, що зміщується з кроком 0,2 м.
du
1
dt
3