DETERMINATION OF DYNAMIC STRESSES IN RAILWAY CONSTRUCTION FACILITIES INFRASTRUCTURE
Abstract and keywords
Abstract (English):
The article provides an analysis of typical tasks for the survey of railway infrastructure construction facilities. The experience of creating strain gauges for measuring VAT parameters under static and dynamic loads is described. A description of a new innovative mesdose based on an "electrochemical converter" is given. At the end of the article, the tasks and directions of further research are given.

Keywords:
buildings and structures, dynamic impacts, stresses in the base, crack opening, automated monitoring
Text
Publication text (PDF): Read Download
Publication text (PDF): Read Download

В условиях пандемии очень сильно изменились логистические схемы и значительно вырос грузооборот по Российским железным дорогам. Есл несколько лет рос поток грузов из Азии в Европу, при этом в обратном направлении в основном шли порожние вагоны. Сейчас на восток вырос экспорт угля, зерна, металла и других товаров. Инновационные проекты привели к появлению больших участков без стыковых рельс (шелковый путь), а появление инновационных колесных пар позволит увеличить скорость движения с 90 до 150 км в час. При этом циклические и знакопеременные нагрузки увеличивают динамические воздействия как на земляное полотно, так и на грунты оснований зданий железнодорожной инфраструктуры, зачастую расположенных в непосредственной близости к пути основного хода. Поэтому в грунтах распространяются волны динамических нагрузок, влияющих на надежное функционирование таких строительных объектов (рис. 1). Динамические воздействия в разной степени влияют на величину неравномерных деформаций грунтов основания и на дефекты в несущих конструкциях здания (трещины в стенах, осадки фундаментов и пр.). Это увеличивает риск возникновения аварийных ситуаций, представляющих опасность для жизни и здоровья людей. Анализ [1, 2] результатов многолетних наблюдений за поведением зданий и сооружений позволил сформулировать ряд задач, касающихся необходимости проведения комплексного автоматического мониторинга с использованием средств автоматизации измерений при эксплуатации зданий и сооружений.

 

Рис. 1. Здание вокзала, подвергающееся динамическим воздействиям

 

Возникновение негативных процессов в любой конструктивной части здания или сооружения, связанное с действием внешней динамической нагрузки, внутренних напряжений, агрессивных факторов окружающей среды и других, является неизбежным процессом, и исследовано рядом авторов [3, 4]. Автоматизированный мониторинг и инструментальный контроль НДС несущих конструкций ОКС на всех этапах жизненного цикла с получением и накоплением информации об их техническом состоянии в специализированных базах данных [5 - 7]. Это позволит увеличить остаточный ресурс и значительного повысить эффективность поддержания эксплуатационных свойств объектов железнодорожной инфраструктуры. Добиться этого можно с помощью совершенствования существующих на данный момент методов мониторинга [8 - 10] и оценки технического состояния зданий и сооружений. Авторами была предложена методика информационного моделирования, предполагающая получение от системы датчиков, располагаемых в грунте и обрабатываемой в дата-ориентированном комплексе автоматизированного мониторинга за напряженно-деформированным состоянием (НДС) системы «тоннель – грунтовый массив – здания существующей застройки» [6 - 8]. В основу положена усовершенствованная единая методика мониторинга с группировкой основных дефектов в группы по влиянию на основные несущие конструктивные элементы [11 - 19]. Автоматизированная система мониторинга несущих элементов зданий и сооружений защищена патентами [20, 21].

На кафедре Промышленное и гражданское строительство и геотехника ЮРГПУ в рамках научной школы, созданной проф. Мурзенко Ю.Н., проводятся многолетние исследования различных тензометрических датчиков для измерения компонент НДС основания [22, 23]. В ходе этих исследований разрабатывали и тензометрические приборы для измерения динамических напряжений [24 - 27].

Датчик напряжений в грунте состоит из цилиндрического стального корпуса с жестким дном, защищающего внутренние конструктивные элементы от попадания влаги и частиц грунта, электрохимической ячейки и рабочей крышки, представляющей собой стальную пластину [28].

Внутри электрохимической ячейки из электроизоляционного материала (акрила) жестко защемлены по контуру две круглые упругие металлические мембраны, выполняющие роль электродов, к которым припаяны контакты, выведенные за корпус датчика. Мембраны расположены параллельно друг другу, а на их внутренние поверхности нанесены круглые эластичные электроизоляционные покрытия из резины. Наличие защитного покрытия в таком исполнении продиктовано характеристикой возникающего в мембранах изгибающего момента при их деформации под нагрузкой.

Между упругими металлическими мембранами залит раствор электролита. Между верхней упругой металлической мембраной электрохимический ячейки и рабочей крышкой датчика находится гидравлическая деаэрированная жидкость, передающая механические деформации от исследуемой среды. Герметичность соединения рабочей крышки и цилиндрического корпуса датчика, выполненного с помощью восьми винтов, обеспечивается эластичной кольцевой резиновой прокладкой.

При разработке конструкции прототипа датчика учитывались ранее полученные результаты по исследованию работы месдоз, показавшими взаимосвязь между результатами измерений, механическими параметрами месдоз и деформируемость грунта. При одинаковой деформируемости месдозы и грунта погрешность измерений минимальна. Величина относительной погрешности для жестких месдоз прямо пропорциональна отношению их высоты к диаметру. Для уменьшения погрешности авторы стремились обеспечить минимально возможную относительную высоту прототипа датчика рис. 2.

Калибровочная установка представляет собой толстостенный цилиндрический сосуд высотой 430 мм и диаметром 50 мм, заполненный грунтом, в который на глубину 100 мм был установлен прототип датчика напряжений в грунте (см. рис. 3). Месдозы устанавливались в контактный слой.

 

Рис. 2. Схема устройства датчика напряжений в грунте: 1 – корпус; 2 – рабочая крышка; 3 электрохимическая ячейка; 4 – упругие металлические мембраны; 5 – электролит; 6 – гидравлическая жидкость; 7 –электроизоляционное покрытие; 8 – винт; 9 – резиновая прокладка.

 

   

Рис. 3. Калибровочная установка

Нами изготовлена опытная партия прототипов месдоз которые апробированы при обследовании реальных объектов.

Выводы.

Создана и апробирована методика автоматизированного мониторинга за состоянием несущих конструкций зданий и сооружений. Создан прототип и выпущена малая партия месдоз для измерения динамических напряжений в грунте основания на основе «электрохимического преобразователя». Требуется проведения НИОКР для поиска оптимального сочетания электролита и деформируемого элемента месдозы. На основе проведенного патентного поиска планируется разработка новых датчиков для различных областей применения. Необходимо проведение градуировка (калибровки) месдозы в приборах трехосного сжатия для расширения области ее применения.

References

1. Krahmal'nyy T.A., Evtushenko S.I. Defekty i povrezhdeniya gruntovyh osnovaniy promyshlennyh zdaniy // Stroitel'stvo i arhitektura. - 2019. - T. 7, Vyp. 3 (24). - S. 45-49. DOI:https://doi.org/10.29039/2308-0191-2019-7-3-45-49

2. Evtushenko S.I., Kuchumov M.A. Analiz rezul'tatov mnogoletnih nablyudeniy za osadkami zdaniy i sostoyaniem ih nesuschih konstrukciy // V sb.: Mehanika gruntov v geotehnike i fundamentostroenii Mater. Mezhdunar. nauchn.-tehn. konf., g. Novocherkassk : 29-31 maya 2018 g. / Yuzh.-Ross. gos. politehn. un-t (NPI) im. M.I. Platova.- Novocherkassk : YuRGPU (NPI), 2018. - S. 576-580

3. Chislennoe modelirovanie dinamiki fundamenta suschestvuyuschego zdaniya ot gruzovogo avtomobilya / A. B. Ponomarev, V. V. Antipov, V. G. Ofrihter, O. A. Shutova // Vestnik Permskogo nacional'nogo issledovatel'skogo politehnicheskogo universiteta. Stroitel'stvo i arhitektura. - 2017. - T. 8, № 4. - S. 5-14.

4. Chislennoe modelirovanie dinamicheskogo vozdeystviya ot odinochnogo transportnogo sredstva na suschestvuyuschee zdanie / V. V. Antipov, V. G. Ofrihter, A. B. Ponomarev, O. A. Shutova // Izvestiya Kazanskogo gosudarstvennogo arhitekturno-stroitel'nogo universiteta. - 2017. - № 3(41). - S. 131-138.

5. Shilov L., Evtushenko S., Arkhipov D., Shilova L. The prospects of information technology using for the analysis of industrial buildings defects // (2021) IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 1030 (1) 012039. DOIhttps://doi.org/10.1088/1757-899X/1030/1/012039

6. Evtushenko S.I., Shilova L.A., Ulesikova E.S., Kuchumov M.A. Informacionnoe modelirovanie tonnelya metro s protivovibracionnymi meropriyatiyami // Nauka i biznes: puti razvitiya, 2019, №10 (100), S. 29-35.

7. Evtushenko S.I., Shilova L.A., Ulesikova E.S., Kuchumov M.A. Informacionnoe modelirovanie tonnelya metro s protivovibracionnymi meropriyatiyami // Sistemotehnika stroitel'stva. Kiberfizicheskie stroitel'nye sistemy – 2019 [Elektronnyy resurs] : sbornik materialov Vserossiyskoy nauchnoy konferencii (Moskva, 25 noyabrya 2019 g.). — Moskva : Izdatel'stvo MISI – MGSU, 2019. S. 177-180

8. Krahmal'nyy T.A., Firsov V.V., Lepihova V.A., Kuchumov M.A., Evtushenko S.I. Novye sistemy nablyudeniya i kontrolya defektov i povrezhdeniy stroitel'nyh konstrukciy// Stroitel'stvo i arhitektura. - 2020. - T. 8, Vyp. 1 (26). - S. 11-18. DOIhttps://doi.org/10.29039/2308-0191-2020-8-1-11-18.

9. Evtushenko S.I., Krakhmalny T.A., Krakhmalnay M.P. New System of Monitoring of a Condition of Cracks of Small Reinforced Concrete Bridge Constructions / 2nd International Conference on Industrial Engineering, ICIE 2016; Chelyabinsk; Russian Federation; 19-20 May 2016. Kod 123270 // (2016) Procedia Engineering 150, pp. 2369-2374. WOS:000387965000371. Scopus: 2-s2.0-85021291717. DOI:https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.07.322.

10. Informacionnye tehnologii pri obsledovanii promyshlennyh zdaniy Evtushenko S.I., Krahmal'nyy T.A., Krahmal'naya M.P., Chutchenko I.A. Stroitel'stvo i arhitektura. 2017. T. 5. № 1(14). S. 65-71. DOI:https://doi.org/10.12737/article_592eb1694d6262.73142749

11. Evtushenko S.I., Krahmal'naya M.P., Shapka V.E., Babec N.N. Sovershenstvovanie metodov obsledovaniya fasadov promyshlennyh zdaniy // Stroitel'stvo i arhitektura. - 2017. - T. 5. - № 2 (15). - S. 140-144. DOI:https://doi.org/10.12737/article_5950d228c2ae96.86803061

12. Evtushenko S.I., Krahmalny T.A. Typical defects and damage to the industrial buildings’ facades / International Scientific Conference «Civil, Architectural and Environmental Sciences and Technologies 2019» (CAEST 2019) Samara State Technical University; Russian Federation; 19 November 2019; Kod 159276 // (2020) IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 775 (1), 012135. Scopus: 2-s2.0-85083986850. DOIhttps://doi.org/10.1088/1757-899X/775/1/012135

13. Sistematizaciya defektov fasadov promyshlennyh zdaniy / S.I. Evtushenko, T.A. Krahmal'nyy, M.P. Krahmal'naya, V.E. Shapka, A.B. Aleksandrov // Informacionnye tehnologii v obsledovanii ekspluatiruemyh zdaniy i sooruzheniy: materialy XVI mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferencii, g. Novocherkassk, 15 noyabrya 2016 g. / Yuzhno-Rossiyskiy gosudarstvennyy tehnicheskiy universitet (NPI) imeni M.I. Platova. — Novocherkassk: Izd-vo YuRGPU (NPI), 2016. — S. 132–136.

14. Sistema monitoringa sostoyaniya treschin i stykov zdaniy i sooruzheniy Evtushenko S.I., Krahmal'nyy T.A., Krahmal'naya M.P. Patent na izobretenie RU 2448225 C1, 20.04.2012. Zayavka № 2010140257/03 ot 01.10.2010

15. Krahmalny T.A., Evtushenko S.I. Damage to the Vertical Braces of Industrial Buildings // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 1079 (2021) 052086 DOIhttps://doi.org/10.1088/1757-899X/1079/5/052086

16. Krahmal'nyy T.A., Evtushenko S.I. Defekty i povrezhdeniya stolbchatyh fundamentov proizvodstvennyh zdaniy // Stroitel'stvo i arhitektura (2019). Tom 7. Vypusk 4 (25) 2019. – S. 36-40. DOI:https://doi.org/10.29039/2308-0191-2019-7-4-36-40

17. Krahmal'nyy T.A., Evtushenko S.I. Defekty i povrezhdeniya zhelezobetonnyh kolonn proizvodstvennyh zdaniy // Stroitel'stvo i arhitektura (2020). Tom 8. Vypusk 2 (27) 2020. – S. 5-10. DOI:https://doi.org/10.29039/2308-0191-2020-8-2-5-10

18. Krahmal'nyy T.A., Evtushenko S.I. Defekty i povrezhdeniya metallicheskih kolonn proizvodstvennyh zdaniy // Stroitel'stvo i arhitektura (2021). Tom 9. Vypusk 2 (31) 2021. – S. 11-15. DOI:https://doi.org/10.29039/2308-0191-2021-9-2-11-15

19. Evtushenko S.I., Krahmal'naya M.P., Krahmal'nyy T.A. K voprosu ob ostatochnom resurse dlitel'no ekspluatiruemyh mostov cherez vodoprovodyaschie kanaly // Vestnik Volgogradskogo gosudarstvennogo arhitekturno-stroitel'nogo universiteta. Seriya: Stroitel'stvo i arhitektura. 2014. № 35 (54). S. 166-170.

20. Sistema monitoringa sostoyaniya treschin i stykov zdaniy i sooruzheniy: pat. na poleznuyu model' 102035 Ros. Federaciya : E04G 23/00 (2006.01) / M.P. Krahmal'naya, T.A. Krahmal'nyy, S.I. Evtushenko. / zayavka 2010140258, zayavl. 01.10.2010; opubl. 10.02.2011, Byul. №4.

21. Sistema monitoringa sostoyaniya treschin i stykov zdaniy i sooruzheniy: pat. 2448225 Ros. Federaciya : MPK E04P 23/00 / M.P. Krahmal'naya, T.A. Krahmal'nyy, S.I. Evtushenko / Zayavka № 2010140257/03 zayavl. 01.10.2010 ; opubl. 20.04.2012, Byul. №11.

22. Murzenko Yu.N., Lifanov V.V., Revenko V.V. Razrabotka konstrukcii i issledovanie harakteristik mesdoza dlya izmereniya polnogo tenzora napryazheniy v massive grunta osnovaniya // Osnovaniya i fundamenty. Novocherkassk, 1976.- S. 38-44

23. Murzenko Yu.N. i dr. Distancionnyy preobrazovatel' dlya izmereniya uglovyh deformaciy v sypuchih sredah // Issledovaniya i razrabotki. Novocherkassk, 1993.- S. 85-87.

24. Shmatkov V.V. i dr. Razrabotka konstrukcii mesdoz dlya izmereniya napryazheniy v gruntah pri vytrambovyvanii kotlovanov i drugih dinamicheskih Nagruzkah // Informacionnye tehnologii proektirovaniya i issledovanie osnovaniy i fundamentov, Novocherkassk, 1999.- S. 147-150.

25. A.s. 1768703 SSSR MKI E 02 D 1/00 Ustroystvo dlya izmereniya napryazheniy v grunte.

26. Pat. 2031197 RF MKI E 02 D 1/00 Mesdoza dlya izmereniya napryazheniy.

27. Kalyakin V.N., Galashev Yu.V. Izuchenie raboty preobrazovateley napryazheniy v staticheskom i dinamicheskom rezhimah // Issledovaniya i raschet osnovaniy i fundamentov pri deystvii staticheskih i dinamicheskih nagruzok. Novocherkassk, 1988.- S. 107-111

28. Mesdoza dlya izmereniya napryazheniya v gruntah: pat. 2657550 Ros. Federaciya : MPK E02D 1/00 (2006.01) / S.I. Evtushenko, V.V. Firsov, E.G. Skibin, M.A. Kuchumov / № 2017127438 zayavl. 31.07.2017 ; opubl. 14.06.2018, Byul. №17.


Login or Create
* Forgot password?