Разработка и применение комплекса для дистанционного мониторинга напряженно-деформированного состояния строительных конструкций на примере стальной фермы
Разработка и применение комплекса для дистанционного мониторинга напряженно-деформированного состояния строительных конструкций на примере стальной фермы
Аннотация
В статье рассмотрена разработка и обобщен опыт применения комплекса для дистанционного мониторинга напряженно-деформированного состояния строительных конструкций на примере стальной фермы. Необходимость разработки комплекса вызвана отсутствием экономичных технических решений для дистанционного мониторинга напряженно-деформированного состояния строительных конструкций в рамках учебного процесса при изучении раздела «Фермы» курса «Металлические конструкции» по направлению подготовки «Строительство». Актуальность темы данной работы обусловлена возросшим в период Covid-19 спросом на дистанционные технологии проведения лабораторных работ в рамках учебного процесса по направлению подготовки «Строительство». После указанного периода актуальность развития технологий дистанционного мониторинга напряженно-деформированного состояния строительных конструкций сохранилась, т.к. позволила автоматизировать процессы как управления нагрузкой на узлы фермы, так и все стадии мониторинга. Рассмотренный комплекс разработан с использованием методов физико-технического анализа состояния систем и их управлением, а также способов сбора и анализа измерений продольных деформаций стержней фермы и перемещений ее узлов. Комплекс предназначен для использования в учебном процессе, однако апробированные методологические и технические решения могут быть адаптированы к мониторингу таких несущих строительных конструкций, как балки и деревянные фермы. Новизна и технический эффект от использования разработанного первого варианта комплекса подтверждены патентом RU 2806841.
1. Введение
Быстрое развитие компьютерных технологий создает новые возможности для совершенствования технических средств обучения, в том числе в области подготовки специалистов по направлению «Строительство»
. В данной статье рассматривается реализация одной из таких возможностей, которая была реализована в связи с необходимостью использования дистанционной формы обучения в период пандемии Covid-19 . В этот период, в целях обеспечения непрерывности учебного процесса, в ПетрГУ был разработан и изготовлен учебно-лабораторный комплекс с дистанционным управлением и мониторингом процесса испытаний для изучения напряженно-деформированного состояния ферм . Накопленный к настоящему времени опыт показал, что использование комплекса целесообразно при подготовке специалистов по направлению «Строительство» в рамках заочной формы обучения, т.к. в дистанционном режиме позволяет полностью автоматизировать процесс загрузки узлов фермы внешними силами, снятия отсчетов вертикальных перемещений узлов и внутренних сил в стержнях, фотофиксацию конструкции до и после испытаний (для подтверждения малости деформаций конструкции).На момент создания данного комплекса были известны способ и устройства для дистанционного обучения
, , . Однако известные способы и устройства для их реализации базировались на виртуальных испытаниях, не обеспечивали автоматизацию проведения эксперимента с использованием физических аналогов реальных конструкций в дистанционном режиме и, как следствие, не формировали навыки дистанционного управления и дистанционной калибровки и обработки результатов измерений в процессе обучения, что необходимо при мониторинге состояния конструкций, функционирующих в зонах, опасных для здоровья людей, в том числе в период ограничений по медицинским показаниям, связанным с пандемией. Кроме того, формирование навыков анализа состояния конструкций необходимо для мониторинга несущих конструкций зданий и сооружений в период их реконструкции в соответствии с ГОСТ 31937-2024 «Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния». Анализ литературы , , , показал, что проблема создания учебно-лабораторного комплекса с дистанционным управлением для изучения напряженно-деформированного состояния металлических ферм является актуальной.Новизна технических решений компонентов и комплекса в целом подтверждена патентом . Принимая во внимание, что эти технические решения, после их доработки и адаптации могут быть использованы для мониторинга напряженно-деформированного состояния конструкций ферм без непосредственного участия персонала, как в учебном процессе, так и в существующих сооружениях, можно сделать вывод о целесообразности более детального рассмотрения устройства и функционирования данного комплекса. Таким образом, цель работы заключается в обобщении опыта дистанционного управления при подготовке специалистов по направлению «Строительство» на примере изучения напряженно-деформированного состояния ферм.
2. Методы, принципы и результаты исследования
Стальная ферма пролетом 3.2 м и высотой 0.4 м, входящая в состав комплекса как объект испытаний, изготовлена в соответствии с требованиями ГОСТ 23118-2019 «Конструкции стальные строительные». Комплекс содержит две идентичные фермы, что обеспечивает стабильность положения объекта испытаний, по аналогии с реальными конструкциями покрытий промышленных зданий. Стержни фермы выполнены из профиля замкнутого поперечного сечения в форме квадрата со стороной 40 мм, толщина стенки профиля 2 мм. Стержни соединены в узлах посредством электродуговой сварки. На стадии расчета и сравнения экспериментальных и расчетных значений усилий в стержнях и перемещений узлов ферма рассматривается как статически определимая шарнирно-стержневая конструкция, одна из опор которой является шарнирно-неподвижной, а вторая — шарнирно-подвижной. Заметим, что в модифицированной конструкции комплекса предусмотрена возможность исследования как статически определимых, так и статически неопределимых стальных и деревянных ферм и балок после несложной адаптации первоначально разработанного варианта (Рисунок 1).
Рисунок 1 - Общий вид комплекса:
1 – исследуемая конструкция в виде стальной фермы; 2 – основание; 3 – электромеханические домкраты; 4 – электронные динамометры; 5 – блоки управления нагрузкой; 6 – цифровые прогибомеры; 7 – тензодатчики для измерения осевой деформации стержней; 8 – блоки измерения деформаций; 9 – центральный блок коммутации
Структурно-логическая схема комплекса представлена на Рисунке 2.
Рисунок 2 - Структурно-логическая схема комплекса:
Т1-Т15 – тензодатчики; Д1-Д3 – электронные динамометры; М1-М3 – электромеханические домкраты
Рисунок 3 - Центральный блок коммутации
Рисунок 4 - Блок управления нагрузкой на узлы
Рисунок 5 - Блок измерения продольных деформаций стержней
Оператор отправляет команды управления учебно-лабораторным комплексом, которые получает центральный блок коммутации 9 и переадресует их блокам управления нагрузкой 5. Нагружение исследуемой конструкции 1, установленной на основание 2, осуществляется при помощи электромеханических домкратов 3 (Рисунок 6), электропитанием которых управляют блоки 5 в зависимости от полученных команд оператора. Одновременно с этим блоки управления нагрузкой 5 производят измерение прикладываемой узловой нагрузки посредством электронных динамометров 4 (Рисунок 7) и передают измеренные значения центральному блоку коммутации 9 с последующей их отправкой на компьютеры пользователей, подключенных как в качестве оператора, так и наблюдателей.
Рисунок 6 - Электромеханический домкрат
Рисунок 7 - Динамометр с электронным датчиком
Рисунок 8 - Цифровой прогибомер
Рисунок 9 - Механическая часть тензометра
1) повышение точности измерений нагрузки, прикладываемой к узлам исследуемой конструкции, линейных перемещений узлов конструкции и продольных деформаций стержней конструкции;
2) автоматизацию процесса нагружения и мониторинга напряженно-деформированного состояния исследуемой конструкции (измерения линейных перемещений узлов конструкции и продольных деформаций ее элементов);
3) дистанционное проведение испытаний в режиме реального времени;
4) снижение трудоемкости проведения испытаний.
Тем самым создаются новые технические возможности для формирования у обучающихся компетенций, достаточных для работы с реальными конструкциями и устройствами, а также формирования навыков мониторинга и дистанционного управления техническим состоянием конструкций и устройств, функционирующих без прямого участия обучающихся и обучающих лиц, в том числе в зонах, опасных для здоровья людей.
Накопленный опыт использования представленного стенда (Рисунки 1–9) показал, что при необходимости результаты исследования могут быть использованы для мониторинга реальных строительных конструкций после модификации с учётом конкретных условий.
3. Заключение
Научной новизной данной работы является предлагаемый способ дистанционного проведения учебных занятий при изучении напряженно-деформированного состояния металлических ферм и его реализация посредством специально разработанного комплекса
, который первоначально предназначался для использования в период пандемии , но оказавшийся эффективным в обычных условиях при проведении занятий как в традиционной, так и дистанционной форме. Результаты исследования могут быть адаптированы в рамках учебного процесса по направлению «Строительство» к испытаниям деревянных ферм с соединениями стержней посредством металлических зубчатых пластин, а также таких несущих строительных конструкций, как рассмотренные в составные балки двутаврового сечения с полками из досок и стенкой из ориентированной стружечной плиты. В этой связи важно отметить, что применение древесины, как возобновляемого ресурса соответствует современным экологическим требованиям.Эффект от использования разработанного комплекса, как показала практика его использования, выражается в повышении методологического уровня проведения соответствующих учебных занятий за счет уменьшения рутинных операций, а также в уменьшении потребности во вспомогательном персонале за счет автоматизированного управления нагрузкой, проведения испытаний фермы и электронной фиксацией результатов для дальнейшего анализа.
Блочная структура комплекса (Рисунки 1 и 2) обеспечивает его универсальность, благодаря чему подобные комплексы могут быть использованы для мониторинга напряженно-деформированного состояния значительно более широкого круга строительных конструкций.