Математическая реализация вибрационного метода идентификации повреждений в пролетных строительных конструкциях
Последние десять лет наблюдается интенсивный рост количества исследований, связанных с развитием методик локализации дефектов и оценки технического состояния металлических конструкций при помощи динамического анализа. Такое интенсивное развитие методы динамического анализа состояния конструкций получили по следующим причинам:
- 1) многочисленного набора однотипных строительных конструкций; 2) алгоритмизации действий, осуществляемых при проведении обследований конструкций; 3) необходимости мониторинга строительных конструкций на всех этапах строительства и эксплуатации;
В силу того, что повреждения в конструкциях носят локальных характер, существует возможность их идентификации и локализации при помощи анализа форм колебаний высоких порядков.
Определение собственных частот и мод колебаний механических систем - одна из важнейших задач, которая позволяет получить интегральную информацию о состоянии конструкции. Целью данной работы является анализ результатов вибрационного метода ферменных металлических конструкций (метода изменения индекса повреждения). Для решения поставленной задачи разработан программный модуль "СтройДиагностика". Модуль предназначен для моделирования ферменных конструкций различных конфигураций с произвольно расположенным дефектом конструкции и динамического анализа на наличие и расположение повреждений конструкции с использованием методов вибродиагностики.
В настоящей работе приведены результаты исследования по локализации дефектов арочной стальной фермы, пролетом L=4 (м), высотой H=1 (м), выполненной из равнополочного уголка hР=0.05 (м).
При проведении исследования был использован многофункциональный программный комплекс конечно-элементных расчетов ANSYS. В частности, комплекс ANSYS был использован для выполнения модального анализа, определения собственных частот и форм колебаний конструкции.
В ходе проведения исследования были построены две модели стальной арочной фермы:
- - модель без повреждения; - модель с повреждением (дефект задан путем уменьшения участка сечения конструкции на 10%).
Стержневая модель конструкции и местоположение дефекта приведены на рис. 1. вибрационный ферменный повреждение дефект
Рис. 1. - Стержневая модель арочной фермы
При растяжении (сжатии) стержней фермы внешние силы совершают работу на перемещения конструкции. Вследствие работы конструкции на преодоление деформаций внутри тела накапливается потенциальная энергия. Любое деформированное упругое тело является аккумулятором энергии, и потенциальная энергия деформации - это запасенная энергия, которую получило тело при деформации. Вибрационный метод изменения индекса повреждения основан на изменении потенциальной энергии упругой деформации конструкции. Вследствие деформаций стержней и накапливания потенциальной энергии деформаций происходит изменение кривизны собственных форм колебаний конструкции в зависимости от ее геометрических характеристик и свойств материала.
Индекс повреждения в точке мониторинга перемещений с номером J для I-Ой формы колебания конструкции рассчитывается следующим образом:
(1)
Где и - формы собственных колебаний эталонной и поврежденной конструкции соответственно; - координата (по оси Ox) точки мониторинга (точка измерения перемещения),; - пролет фермы, ; - начало и конец участка фермы соответственно, на котором происходит оценка индекса повреждения конструкции, . [8]
Значение индекса повреждения в точке мониторинга перемещений с номером J для I-Ой формы колебания можно записать в дискретной форме, при условии, что точки мониторинга равноудалены друг от друга:
(2)
Где n - число точек мониторинга перемещений конструкции.
Нормализованное значение индекса повреждения можно записать следующим образом:
(3)
Где - нормализованное значение индекса повреждения, - величина среднего линейного отклонения и стандартного отклонения значения индекса повреждения соответственно, рассчитываемые по формулам 4, 5.
(4) (5)
Нормализованные значения индекса повреждения могут свидетельствовать о наличии повреждения в конструкции, а также указать его местоположение[8].
Моделирование и анализ параметров в расчетном комплексе ANSYS предназначены для имитации получения данных измерений от датчиков акселерометров, устанавливаемых на физической системе (конструкции) на небольшом количестве точек.
Результаты, полученные при помощи метода индекса повреждения конструкции, показаны на рисунке 2. Длина смоделированного дефекта составляет 0.15 м на расстоянии 1.60 метра относительно левого торца балки. Дефект задан путем уменьшения модуля упругости вставки на 10%, равным Е = 1.7Ч1011 Па.
Рис. 2. - Локализация повреждения при помощи метода изменения индекса конструкции
Результаты метода изменения индекса повреждения показаны на рисунке 2. В результате расчета было спрогнозировано расположение повреждения, это: 2.24, 1.84 и 1.68 метра, при контроле перемещений в 7, 15 и 30 точках трехмерной модели, соответственно. Соответствующие ошибки составили: 0.64, 0.24 и 0.08 м соответственно.
Графики, представленные на рисунке 2, соответствующие 15 и 30 точкам измерения показывают, что рассматриваемый метод позволил с высокой точностью идентифицировать местоположение повреждения конструкции. Применение метода изменения индекса повреждения конструкции на практике позволит сократить время обследования за счет предварительного определения участков конструкции, на которые следует обратить особое внимание при проведении натурных исследований.
Литература:
- 1. ГОСТ Р 53778-2010. Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния. - М.: Стандартинформ, 2010. - 90 с. 2. ГОСТ Р 22.1.12-2005. Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Структурированная система мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений. Общие требования. - М.: ИПК "Издательство стандартов", 2005. - 26 с. 3. Живаев, А. А. Корреляционный анализ показаний датчиков системы мониторинга строительного объекта. - Пенза: ПДЗ, 2010. - С. 34-37. 4. Сергиенко А. Б. Цифровая обработка сигналов. -- 2-е. -- СПб.: Питер, 2007. -- С. 751. 5. А. Н. Бескопыльный, М. И. Кадомцев, А. А. Ляпин. Методика исследования динамических воздействий на перекрытия пешеходного перехода при проезде транспорта [Электронный ресурс] // "Инженерный вестник Дона", 2011, №4. - Режим доступа: http://ivdon. ru/magazine/archive/n4p2y2012/1368 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус. 6. М. И. Кадомцев, А. А. Ляпин, Шатилов Ю. Ю. Вибродиагностика строительных конструкций [Электронный ресурс] // "Инженерный вестник Дона", 2012, №3. - Режим доступа: http://ivdon. ru/magazine/archive/n3y2012/941 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус. 7. Salawu, O. S. Bridge Assessment Using Forced-Vibration Testing, 1995. 8. Zhengjie Zhou. Vibration-Based Damage Detection of Bridge Superstructures, VDM Verlag, 2008. 9. Bijaya Jaishi, Wei-Xin Ren (2007): Finite element model updating based on eigenvalue and strain energy residuals using multiobjective optimization technique, Mechanical Systems and Signal Processing, 21(5) pp. 2295-2317. 10. Wei-Xin Ren, Bijaya Jaishi (2009): Use of modal flexibility and normalized modal difference for vibration mode shape expansion, International Journal of Structural Stability and Dynamics 9(4) pp. 765-775.
Похожие статьи
-
Бетон, как показывают испытания, хорошо сопротивляется сжатию и значительно хуже растяжению, поэтому включение стальной арматуры в растянутую зону...
-
Для строительства промышленных и гражданских (в том числе и жилых) зданий очень широко используются металлические конструкции. Их частое использование...
-
Потребность в строительных конструкциях, деталях, полуфабрикатах, материалах для постройки здания находим исходя из объемов работ и построим график их...
-
В настоящее время наиболее распространенными несущими конструкциями деревянных покрытий зданий различного назначения являются деревянные арки. Они...
-
Методы неразрушающего контроля (преимущества и недостатки) Строительство развивается быстрыми темпами, и с каждым днем требования к срокам и качеству...
-
Оценка технического состояния - это установление степени повреждения и категорий технического состояния строительных конструкций зданий и сооружений в...
-
В настоящее время в России, как и во многих развитых зарубежных странах, все большую актуальность приобретает строительство из монолитного бетона и...
-
Фундамент -- строительная несущая конструкция, часть здания, сооружения, которая воспринимает все нагрузки от вышележащих конструкций и распределяет их...
-
Монолитное строительство - основная технология возведения зданий. Технология, позволяющая возвести монолитные многоэтажные здания, коттеджи, сооружения...
-
Здание в плане разбивается на захватки. Минимальный размер захватка может приниматься равным двум ячейкам здания. Максимально принимается захватка равная...
-
В современном строительстве применяется огромное количество различных материалов, каждое из которых имеет свои достоинства и недостатки. Сталь - один из...
-
Одной из ведущих отраслей народного хозяйства государства является строительство. Мерой развития строительства определяется развитие государства в целом....
-
Вариант - 84, Шифр - 712 Количество пролетов - 3 Район строительства - г. Луга Монтаж строительный кран стреловой ВЫБОР МЕТОДОВ ВЕДЕНИЯ РАБОТ Организация...
-
Все вышеуказанные методы достаточно часто применяются при проведении диагностики технического состояния строительных конструкций, однако все они не дают...
-
Выбор оснастки - Монтаж строительных конструкций стреловыми самоходными кранами
Кроме грузоподъемных кранов, для осуществления монтажных процессов необходимы дополнительная технологическая оснастка, приспособления и оборудование,...
-
При составлении смет (расчетов) могут применяться следующие методы определения стоимости: - ресурсный; - ресурсно-индексный; - базисно-индексный; - на...
-
История развития строительных материалов и конструкций
История развития строительных материалов и конструкций Чтобы уяснить сущность строительных материалов и конструкций, необходимо представить историю их...
-
Пользуясь таблицей объемов работ, а также сборниками ЕНиР составляем калькуляцию трудовых затрат, которая должна включить весь комплекс основных и...
-
Дефекты конструкций - это отклонения формы и фактических размеров от проектных параметров, возникшие в процессе изготовления и монтажа. Повреждения...
-
Выбор кранов для возведения зданий и сооружений выполняют в два этапа: * определяют техническую возможность применения для монтажа конструкций кранов...
-
Статическая нагрузка ферм - Стальные строительные конструкции
Фермы часто используются для перекрытия пролетов, т. е. имеют такое же назначение, что и балки сплошного сечения. Известно, что при изгибе балки...
-
Любая задача расчета имеет три стороны: статическую (или динамическую), геометрическую и физическую. Статическая (динамическая) сторона задачи...
-
Векторно-скалярные характеристики структурной помехи в строительных конструкциях
В различных методах неразрушающего контроля, работающих с деформационными полями, точность диагностики во многом зависит от интенсивности структурной...
-
Определение эффективных методов температурно-прочностных показателей для контроля качества среднемассивных и массивных конструкций В решении механической...
-
Конструкции из древесины И индустриальные строительные детали изготовляют на специальных строительных заводах. Комплекты деревянных изделий и деталей Для...
-
Геометрическая неизменяемость ферм - Стальные строительные конструкции
Для обеспечения геометрической неизменяемости необходимо, во-первых, чтобы связей, наложенных на перемещение узлов фермы было достаточно, во-вторых,...
-
Способ пропитки в горячехолодных ваннах основан на том, что при прогреве в ванне с горячим антисептическим раствором происходит расширение и частичное...
-
Область и эффективность применения карты Карта предназначена для организации труда рабочих при монтаже самоходным гусеничным краном панелей покрытия...
-
Основное дифференциальное уравнение и методы его решения Процесс передачи теплоты через ограждение, все параметры которого остаются неизменными во...
-
Термины и определения. Общее понятие Подъемник строительный - грузоподъемная машина циклического действия со стационарно установленным на ней...
-
Строительные конструкции, Выбор фундаментов - Архитектура и строительство
Выбор фундаментов Проектирование оснований и фундаментов заключается в выборе основания, типа, конструкции и основных размеров фундамента в совместном...
-
Промышленное производство изделий из ячеистого бетона началось в первой половине прошлого столетия по технологической схеме, заимствованной из опыта...
-
Для определения эффективности экономической деятельности строительных фирм целесообразно обратиться к оптимизационным моделям. Концептуальной основой для...
-
Рис. 5. Временные крепления поврежденных конструкций А - в виде стоек; б - пространственной опоры; в, г - подкосов для стен; 1 - конструкция; 2 -...
-
Поэлементные поставки: 1) местные строительные материалы: щебень, бетон; Производственный запас (временной): бетон - 5 дней, щебень 5 дней. 2)...
-
Методы анализа - Технология и организация производства строительных материалов
Отбор проб Точечные пробы кальцинированной соды из мешков, контейнеров, вагонов и автомобилей отбирают щупом, погружая его на 3/4 рабочей длины. Точечные...
-
Марки стали для строительных конструкций Выбор стали производиться по нормам созданных на основе конструктивного проектирования по вариантам и...
-
Требования к качеству и приемке работ - Монтаж строительных конструкций
При монтаже конструкций должен быть обеспечен пооперационный контроль за качеством монтажных работ, выполнение требований СНиП III.03.01-87 "Несущие и...
-
Многолетний опыт инженерных обследований зданий и сооружений свидетельствует о том, что аварийные ситуации возникают при одновременном воздействии...
-
Методы внешнего износа - Оценка технического состояния здания и его конструкций
Внешний (экономический) износ - обесценение объекта, обусловленное негативным по отношению к объекту оценки влиянием внешней среды: рыночной ситуации,...
Математическая реализация вибрационного метода идентификации повреждений в пролетных строительных конструкциях