Создание экспериментальной системы GPS мониторинга высотного здания при ветровом воздействии

ВЕСТНИК 8/2011

СОЗДАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ GPS МОНИТОРИНГА ВЫСОТНОГО ЗДАНИЯ ПРИ ВЕТРОВОМ

ВОЗДЕЙСТВИИ

CREATION OF EXPERIMENTAL GPS-SYSTEM FOR MONITORING TALL-BUILDING RESPONSE TO WIND LOAD

M.A. Захарченко, A.B. Коргин

M.A. Zakharchenko, A.V. Korgin

ФГБОУ ВПО «МГСУ»

В статье рассматриваются проблемы контроля ветровых воздействий на высотные здания. В качестве решения комплекса методических вопросов предложено создание экспериментальной системы GPS мониторинга 22-этажного корпуса МГСУ.

The paper considers the problems of wind effects control on tall buildings. As a solution ofmethodological issues complex proposed the creation of an experimental GPS system for monitoring 22-storey building of MGSU.

Контрольтехнического состояния высотных сооружений с помощью процедуры автоматического мониторинга приобретает все большую значимостьиз-за возрастающих требований к оценке безопасности ответственных объектов в ходе эксплуатации. Анализ мирового и отечественного опыта эффективного использования полномасштабных систем мониторинга высотных сооружений свидетельствует о том, что в России на сегодняшний день существует проблема недостаточного уровня научны-хисследований реального поведения данных объектов в ходе эксплуатации при статических и динамических воздействиях. Такая ситуация с одной стороны является следствием относительно небольшого опыта высотного строительства по сравнению с об-щимобъемом строительного производства, а с другой, отсутствием до недавнего времени нормативной базы, регламентирующей обязательное проведение мониторинга ответственных сооружений и определяющейнеобходимые методы и средства измере-ний[2,3].В результате действительно эффективные и информативные системы мониторинга устанавливаются довольно редко, их состави методика работ зависят от объемов финансирования со стороны заказчика и зачастую являются недостаточными для оценки фактической работы сооружения.

Одной из основных задач мониторинга высотных сооружений является наблюдение за пространственным перемещением контролируемых точек конструкций. Одновременное измерение статических и динамических компонентов отклика позволяет получить информацию о механизме работы конструкций и механизме воздействия нагрузок.

Отклик сооружения в условиях ветрового воздействия можно выразить через три основные составляющие[5] (рис. 1):

• средняя компонента (наклон сооружения А)- значение не меняется в течение заданного интервала времени;

• фоновая (квазистатическая) компонента (5ф) - значение в течение заданного интервала времени изменяется в медленном темпе;

• резонансная компонента (5Р) - значение в течение заданного интервала времени изменяется в быстром темпе, совпадая с собственными частотами сооружения.

Рис. 1. Компоненты отклика сооружения на ветровое воздействие.Разложение пространственных деформаций сооружения на фоновую и резонансную компоненту

Как показывает опыт, в качестве основного и зачастую единственного элемента системы мониторинга динамических воздействий на сооружение используются трёх-координатныеакселерометры, устанавливаемые на кровле здания. При таких условиях относительные перемещения сооружения определяются путем двойного интегрирования данных, полученных с акселерометров, пренебрегая двумя константами интегрирования и подразумевая, что средняя (наклон сооружения) и фоновая компоненты отклика не могут быть полностью определены.

Зарубежные исследования свидетельствую о том, что вклад фонового отклика в пространственную деформацию некоторых сооружений при определенномветровом воздействии может составлять от 20 до 80 процентов. В результате чего большая часть общей картины реакции сооружения (рис. 2) может быть утрачена при использовании в ходе автоматического мониторинга только системы трехкоординатныхакселеромет-ров [6].

Помимо сложности получения результатов в условиях квазистатического ветрового воздействия измерения, проводимые с помощью акселерометров,также не позволяет определять деформации сооружения, возникшие в результате температурного воздействия и незначительных сдвигов в фундаментах.

Таким образом, для определения параметров колебания сооружений на частотах от 0 до 2 Гц (статические и квазистатические компоненты отклика сооружения) необходимо использовать дополнительные методы измерений. Единственным способом решения проблемы мониторинга низкочастотных многокомпонентных колебаний высотных сооружений является проведение непосредственных измерений пространственных перемещений.

Перспективными геодезическими средствами, используемыми для решения задачи пространственно-координатного мониторинга высотных зданий, являются приборы

ВЕСТНИК МГСУ

8/2011

вРВ-позиционирования, которые на современном этапе позволяют определять пространственные координаты точек с точностью до 1 см, что для высотных сооружений с возможными горизонтальными перемещениями порядка нескольких десятков сантиметров представляет довольно высокую точность (рис 3).

Рис. 2. Общая схема статического и динамического воздействия на высотные сооружения

Центральный пульт управления системой мониторинга

Рис. 3. Схема проведения дифференциальных GPS измерений при автоматической системе мониторинга

Обработка данных, полученных с помощью достоверных GPS измерений, позволяет определить фоновый отклик здания на ветровое воздействие. Зарубежный опыт проведения динамического мониторинга подтверждает сопоставимую точность GPS измерений с данными, полученными с помощью акселерометров (рис. 4). [4-6].

Рис. 4. Сравнение спектра ускорений здания, измеренного с помощью вР8а) и акселерометров б)[5].

Для эффективного исключения ошибок при измерениях используется дифференциальный способ наблюдений - DGPS (Differential GPS). Его суть состоит в выполнении измерений двумя и более приемниками: один устанавливается в определяемой точке - ро-верная станция, а другой - в точке с известными координатами - базовая (контрольная) станция (рис. 3). В режиме DGPS измеряют не абсолютные координаты первого приемника, а его положение относительно базового (вектор базы). Использование дифференциального режима позволяет практически довести точность фазовых измерений до единиц миллиметров. Наилучшие показатели имеют фазовые двухчастотные приемники. Они отличаются от фазовых одночастотных более высокой точностью, более широким диапазоном измеряемых векторов баз и большей скоростью и устойчивостью измерений[1].

На результаты GPS измерений не влияют погодные условия, электрические помехи или сложная кинематика деформации сооружения. Однако использование системы GPS в качестве средства автоматического мониторинга связано с рядом трудностей.Непрерывное изменение видимости спутника и его ориентации, возможность многолучевой дисторсии, ошибки вычислений требуют значительных затрат на обработку сигнала для достижения полностью надежных измерений, что требует привлечение кподобного вида работам специалистов, способных грамотно проводить анализ полученных в ходе мониторинга данных.

Для решения комплекса вопросов, связанных с отработкой единого методического подхода к разработке, устройству и эксплуатации систем контроля технического состояния ответственных сооружений в МГСУ в рамках научно-производственного Центра структурированных систем мониторинга было принято решение о создании системы автоматического динамического мониторинга административного 22 этажного здания университета на основе использования GPS оборудования.

Основной целью исследования является разработка методики оценки поведения здания при ветровом воздействии и сопоставление экспериментальных данных с результатами, полученными при численном анализе работы конструкций с помощью МКЭ и испытаний моделей в аэродинамической трубе.

В дальнейшем система мониторинга должна быть расширена за счет оснащения дополнительным оборудованием и датчиками для контроля напряженно-деформированного состояния здания.

Вследствие ветрового воздействия амплитуда колебаний данного типа зданий может составлять порядка 50 см.Разрабатываемая система мониторинга позволит осуществлять определение перемещений и ускорений конструкций здания и оценивать их влияние на фундаментные и надфундаментные конструкции.

К производственным задачам, решаемым в ходе реализации проекта, относятся:

• отработка методики автоматического мониторинга высотного здания в условиях мегаполиса;

• повышение точности GPS измерений за счет использования дополнительных базовых станций;

• оценка эффективности использования различного оборудования для контроля динамических параметров;

• расширение системы мониторинга за счет использования дополнительного оборудования.

К научным задачам относятся:

• оценка точности и анализ GPS измерений;

• оценка направления и величин ветровых нагрузок, действующих на сооружение в ходе мониторинга;

ВЕСТНИК МГСУ

8/2011

• проверка норм расчета конструкции на ветровые нагрузки;

• проверка возможности использования ОРБ при измерении относительно небольших отклонений для оценки нагрузочного воздействия и отклика сооружения.

• анализ полученных данных с помощью численного анализанапряженно-деформированного конструкций методом конечных элементов;

Научные и практические результаты, полученные в ходе работы над проектом, планируются к внедрению в образовательную деятельность, а также для подготовки магистрантов и аспирантов МГСУ в области систем автоматического мониторинга высотных и большепролетных сооружений.

В настоящем проекте используются двухчастотные фазовые ОРБ приемникиТпшЫе 5700 (рис. 5) в количестве четырех роверных и одной базовойстанции.

н---------

Рис. 5. Фазовый 2-х частотный GPS-приемник Trimble 5700.

Рис. 6. Схема расстановки базовых и роверных станций©.

Работы по устройству динамической системы мониторинга планируется осуществлять в несколько этапов.

1. Установка GPS оборудования и анемометров на кровле здания.

2. Создание МКЭ-модели сооружения с помощью МКЭ-системы ANSYS.

3. Моделирование ветрового воздействия на сооружение в МКЭ-системе.

4. Интеграция в систему мониторинга инклинометров, акселерометров.

На начальном этапе работы на крыше административного корпуса по угловым точкам устанавливаются 4 роверные станции, позволяющие контролировать помимо вертикальных и горизонтальных перемещений крутильные деформации сооруже-ния(рис. 6). Базовая станция для сохранности располагается на кровле одноэтажного корпуса университета, устойчивость ее положения и достоверность измерений предполагается контролировать с помощью введения в измерительную сеть сторонних базовых станций.

С помощью созданной сети GPS приемников планируется осуществлять измерения динамических параметров колебания здания при ветровом воздействии в режиме реального времени (real time kinematic - RTK), а также последующую постобработку результатов для получения данных с заданной точностью.

В соответствии с техническими данными GPS тарелок Trimble 5700 среднеквад-ратическая погрешность измерений составляет:

• при статической съемке: СКО в плане 5 мм + 0,5 мм/км

СКО по высоте 5 мм + 1 мм/км

• при кинематической съемке: СКО в плане 10 мм + 1 мм/км

СКО по высоте 20 мм + 1 мм/км

Информация с приемников по сети интернет передается на диспетчерский пункт, где информация обрабатывается с помощью программного обеспечения Trimble 4D control. Данное ПО является ядром системы автоматического мониторинга и позволяет комбинировать и совместно уравнивать данные с разных приемников в режиме RTK, а также производить в режиме постобработки анализ деформаций, создание отчетов, графиков и выдачу тревожных сообщений о происходящих изменениях.

С помощью постобработки информации определяются фоновые и резонансные компоненты смещения в направлениях по ветру и перпендикулярно ему, что дает представление об общей картине реакции высотного сооружения на ветровое воздействие для сравнения с его расчетами.

Решение поставленных в настоящей работе научных и практических задач, позволит проработать основные этапы методики создания эффективной системы RTK-GPS мониторинга, интегрированной в полномасштабную систему контроля вибродинамических воздействий на высотные сооружения с привлечением численно-аналитических методов прогнозирования и оценки изменения напряженно-деформированного состояния несущих конструкций объектов.

Литература

1. Марков С. Принципы работы системы GPS и ее использование [Электронный ресурс] - Режим доступа http://www.geo-garant.ru/cgi-bin/content.pl?p=65&nid=17

2. МГСН 4.19-2005. Временные нормы и правила проектирования многофункциональных высотных зданий и зданий комплексов в городе Москве / Правительство Москвы. - М., 2005.

3. МРДС-02-08. «Пособие по научно-техническому сопровождению и мониторингу строящихся зданий и сооружений, в том числе большепролетных, высотных и уникальных» / Правительство Москвы. - М., 2008.

References

1. Brownjohn JMW, Rizos C, Tan GH, Pan TC (2004) Real-time long-term monitoring of static and dynamic displacements of an office tower, combining RTK GPS and accelerometer data. In: 1st FIG international symposium on engineering surveys for construction works and structural engineering, Nottingham, United Kingdom, June 28-July 1, 2004.

2. C. L. Kuang, K. C. S. Kwok, P. A. Hitchcock, X. L. Ding Wind-Induced Response Characteristics of a Tall Building from GPS and Accelerometer Measurements doi:10.4236/pos.2011.21001 Published Online February 2011 (http://www.SciRP.org/journal/pos).

3. Kijewski T, Haan F, Kareem A (2001) Wind-induced vibrations. In: Braun SG, Ewins DJ, Rao SS (eds) Encyclopedia of vibration. Academic, NewYork, pp 1578-1587.

Ключевые слова: высотные здания, ветровая нагрузка, GPS, мониторинг, методика измерений, автоматические измерения, отклик, колебания, деформации

Key words: tall-buildings, wind load, GPS, health monitoring, measurement techniques, automatic measurementtechniques, response, vibration, deformations.

E-mail: korgina@mgsu.ru Рецензент: Исайкин A.C., к.т.н., директор ООО «Инждсстройсервис -1»