Development and application of a complex for remote monitoring of stress-strain state of building structures on the example of a steel truss
Development and application of a complex for remote monitoring of stress-strain state of building structures on the example of a steel truss
Abstract
The article examines the development and summarises the experience of using the complex for remote monitoring of stress-strain state of building structures on the example of a steel truss. The necessity of the complex design is caused by the lack of cost-effective technical solutions for remote monitoring of the stress-strain state of building structures in the educational process during the study of the section "Trusses" of the course "Metal Structures" in the training field "Construction". The relevance of the topic of this work is conditioned by the increased demand for remote technologies of laboratory works within the educational process in the direction of training "Construction" during the period of Covid-19. After the mentioned period, the relevance of the development of technologies for remote monitoring of the stress-strain state of building structures remained, because it allowed to automate the processes of both load control on the truss nodes and all stages of monitoring. The reviewed complex is developed using methods of physical and technical analysis of the state of systems and their control, as well as methods of collecting and analysing measurements of longitudinal deformations of truss rods and displacements of its nodes. The complex is intended for use in the educational process, but the tested methodological and technical solutions can be adapted to the monitoring of such load-bearing building structures as beams and wooden trusses. The novelty and technical effect from the use of the developed first version of the complex are certified by the patent 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.