с 01.01.2019 по настоящее время
Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова (Общеинженерные дисциплины, профессор)
с 01.01.1980 по 01.01.2019
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Россия
студент
Московский государственный строительный университет (Кафедра «Информационные системы, технология и автоматизация строительства»)
аспирант
Новочеркасск, Ростовская область, Россия
студент
Россия
В статье приводятся анализ типовых задач по обследованию строительных объектов железнодорожной инфраструктуры. Описан опыт создания тензометрических преобразователей для измерения параметров НДС при статических и динамических нагрузках. Приведено описание новой инновационной месдозы на основе «элекрохимического преобразователя». В конце статьи приведены задачи и направления дальнейших исследований.
здания и сооружения, динамические воздействия, напряжения в основании, раскрытие трещин, автоматизированный мониторинг
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.
1. Крахмальный Т.А., Евтушенко С.И. Дефекты и повреждения грунтовых оснований промышленных зданий // Строительство и архитектура. - 2019. - Т. 7, Вып. 3 (24). - С. 45-49. DOI:https://doi.org/10.29039/2308-0191-2019-7-3-45-49
2. Евтушенко С.И., Кучумов М.А. Анализ результатов многолетних наблюдений за осадками зданий и состоянием их несущих конструкций // В сб.: Механика грунтов в геотехнике и фундаментостроении Матер. Междунар. научн.-техн. конф., г. Новочеркасск : 29-31 мая 2018 г. / Юж.-Росс. гос. политехн. ун-т (НПИ) им. М.И. Платова.- Новочеркасск : ЮРГПУ (НПИ), 2018. - С. 576-580
3. Численное моделирование динамики фундамента существующего здания от грузового автомобиля / А. Б. Пономарев, В. В. Антипов, В. Г. Офрихтер, О. А. Шутова // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. - 2017. - Т. 8, № 4. - С. 5-14.
4. Численное моделирование динамического воздействия от одиночного транспортного средства на существующее здание / В. В. Антипов, В. Г. Офрихтер, А. Б. Пономарев, О. А. Шутова // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. - 2017. - № 3(41). - С. 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. Евтушенко С.И., Шилова Л.А., Улесикова Е.С., Кучумов М.А. Информационное моделирование тоннеля метро с противовибрационными мероприятиями // Наука и бизнес: пути развития, 2019, №10 (100), С. 29-35.
7. Евтушенко С.И., Шилова Л.А., Улесикова Е.С., Кучумов М.А. Информационное моделирование тоннеля метро с противовибрационными мероприятиями // Системотехника строительства. Киберфизические строительные системы - 2019 [Электронный ресурс] : сборник материалов Всероссийской научной конференции (Москва, 25 ноября 2019 г.). - Москва : Издательство МИСИ - МГСУ, 2019. С. 177-180
8. Крахмальный Т.А., Фирсов В.В., Лепихова В.А., Кучумов М.А., Евтушенко С.И. Новые системы наблюдения и контроля дефектов и повреждений строительных конструкций// Строительство и архитектура. - 2020. - Т. 8, Вып. 1 (26). - С. 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. Код 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. Информационные технологии при обследовании промышленных зданий Евтушенко С.И., Крахмальный Т.А., Крахмальная М.П., Чутченко И.А. Строительство и архитектура. 2017. Т. 5. № 1(14). С. 65-71. DOI:https://doi.org/10.12737/article_592eb1694d6262.73142749
11. Евтушенко С.И., Крахмальная М.П., Шапка В.Е., Бабец Н.Н. Совершенствование методов обследования фасадов промышленных зданий // Строительство и архитектура. - 2017. - Т. 5. - № 2 (15). - С. 140-144. DOI:https://doi.org/10.12737/article_5950d228c2ae96.86803061
12. Еvtushenko 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; Код 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. Систематизация дефектов фасадов промышленных зданий / С.И. Евтушенко, Т.А. Крахмальный, М.П. Крахмальная, В.Е. Шапка, А.Б. Александров // Информационные технологии в обследовании эксплуатируемых зданий и сооружений: материалы XVI международной научно-практической конференции, г. Новочеркасск, 15 ноября 2016 г. / Южно-Российский государственный технический университет (НПИ) имени М.И. Платова. - Новочеркасск: Изд-во ЮРГПУ (НПИ), 2016. - С. 132-136.
14. Система мониторинга состояния трещин и стыков зданий и сооружений Евтушенко С.И., Крахмальный Т.А., Крахмальная М.П. Патент на изобретение RU 2448225 C1, 20.04.2012. Заявка № 2010140257/03 от 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. Крахмальный Т.А., Евтушенко С.И. Дефекты и повреждения столбчатых фундаментов производственных зданий // Строительство и архитектура (2019). Том 7. Выпуск 4 (25) 2019. - С. 36-40. DOI:https://doi.org/10.29039/2308-0191-2019-7-4-36-40
17. Крахмальный Т.А., Евтушенко С.И. Дефекты и повреждения железобетонных колонн производственных зданий // Строительство и архитектура (2020). Том 8. Выпуск 2 (27) 2020. - С. 5-10. DOI:https://doi.org/10.29039/2308-0191-2020-8-2-5-10
18. Крахмальный Т.А., Евтушенко С.И. Дефекты и повреждения металлических колонн производственных зданий // Строительство и архитектура (2021). Том 9. Выпуск 2 (31) 2021. - С. 11-15. DOI:https://doi.org/10.29039/2308-0191-2021-9-2-11-15
19. Евтушенко С.И., Крахмальная М.П., Крахмальный Т.А. К вопросу об остаточном ресурсе длительно эксплуатируемых мостов через водопроводящие каналы // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2014. № 35 (54). С. 166-170.
20. Система мониторинга состояния трещин и стыков зданий и сооружений: пат. на полезную модель 102035 Рос. Федерация : E04G 23/00 (2006.01) / М.П. Крахмальная, Т.А. Крахмальный, С.И. Евтушенко. / заявка 2010140258, заявл. 01.10.2010; опубл. 10.02.2011, Бюл. №4.
21. Система мониторинга состояния трещин и стыков зданий и сооружений: пат. 2448225 Рос. Федерация : МПК E04П 23/00 / М.П. Крахмальная, Т.А. Крахмальный, С.И. Евтушенко / Заявка № 2010140257/03 заявл. 01.10.2010 ; опубл. 20.04.2012, Бюл. №11.
22. Мурзенко Ю.Н., Лифанов В.В., Ревенко В.В. Разработка конструкции и исследование характеристик месдоза для измерения полного тензора напряжений в массиве грунта основания // Основания и фундаменты. Новочеркасск, 1976.- С. 38-44
23. Мурзенко Ю.Н. и др. Дистанционный преобразователь для измерения угловых деформаций в сыпучих средах // Исследования и разработки. Новочеркасск, 1993.- С. 85-87.
24. Шматков В.В. и др. Разработка конструкции месдоз для измерения напряжений в грунтах при вытрамбовывании котлованов и других динамических Нагрузках // Информационные технологии проектирования и исследование оснований и фундаментов, Новочеркасск, 1999.- С. 147-150.
25. А.с. 1768703 СССР МКИ E 02 D 1/00 Устройство для измерения напряжений в грунте.
26. Пат. 2031197 РФ МКИ E 02 D 1/00 Месдоза для измерения напряжений.
27. Калякин В.Н., Галашев Ю.В. Изучение работы преобразователей напряжений в статическом и динамическом режимах // Исследования и расчет оснований и фундаментов при действии статических и динамических нагрузок. Новочеркасск, 1988.- С. 107-111
28. Месдоза для измерения напряжения в грунтах: пат. 2657550 Рос. Федерация : МПК E02D 1/00 (2006.01) / С.И. Евтушенко, В.В. Фирсов, Е.Г. Скибин, М.А. Кучумов / № 2017127438 заявл. 31.07.2017 ; опубл. 14.06.2018, Бюл. №17.
