Разработка способа мониторинга снеговой нагрузки на покрытии зданий с применением беспилотных летательных аппаратов
Аннотация
Актуальность темы исследования. В настоящий момент при проектировании зданий и сооружений, расположенных на территории Российской Федерации, основным нормативным документом, регламентирующим назначение нагрузок и воздействий на здание, является свод правил СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия» . Требования действующего СП 20.133330.2016 были увеличены, по сравнению с предыдущими версиями, в частности :
• произведена корректировка территориального районирования по весу снежного покрова в сторону повышения снегового района;
• принято увеличение нормативного значения веса снежного покрова.
В связи с этим, многие здания и сооружения, проектирование которых осуществлялось с учетом устаревших (пониженных) значений веса снежного покрова, требует контроля снеговой нагрузки на покрытии.
Кроме того, в России увеличивается количество случаев обрушений покрытий промышленных и общественных зданий в основном из-за нарушений правил эксплуатации кровли, в том числе под влиянием технологических факторов (увлажнение снега, локальные скопления снега при уборке), что влечет превышение предельной снеговой нагрузки.
Так в Екатеринбурге в 2016 году обрушилась кровля производственного здания машиностроительного завода имени М.И. Калинина, причиной обрушения, в том числе, стал снег, скопившийся после обильного снегопада. В результате обрушения погибли 4 человека и 14 человек пострадали [2]. Основной причиной подобных инцидентов является нарушение правил эксплуатации кровли, а именно несвоевременное очищение кровли от снега. По различным причинам служба эксплуатации здания допускает накопление снежного покрова на кровле зданий, вследствие этого, его суммарный вес превышает предельную снеговую нагрузку и происходит потеря несущей способности конструкций покрытия.
В связи с этим возникает необходимость непрерывного дистанционного мониторинга веса снежного покрова на кровле зданий, позволяющего своевременно отслеживать критическую снеговую нагрузку на кровле. Для создания подобного мониторинга перспективно применение беспилотных летательных средств (далее БПЛА), таким образом, представляется возможным определение веса снежного покрова (и других его параметров) дистанционно, исключая непосредственное пребывание людей на покрытии здания (в целях обеспечения безопасности работ).
Степень разработанности темы исследования: Исследованием определения снеговой нагрузки, как правило, занимаются специалисты метеорологических организаций, преимущественно определяя запас воды в снеговом покрове. Общая идея определения снеговых нагрузок заключается в следующем: путем отбора проб снега в пробоотборный цилиндр с дальнейшим определением плотности взятого образца в лабораторных условиях [3]. Следует отметить, что данный метод является технологически нецелесообразным при мониторинге снеговой нагрузки на покрытии зданий.
Следует отметить, что имеется большое количество работ, отражающих методы моделирования снеговых нагрузок на покрытие зданий на этапе проектирования. Результаты подобных работ отражены в исследованиях Строкатова Б.П.[35], Золиной Т.В. и Садчикова П.Н. [16]
Исследуя данные работы, можно сделать вывод, что задача оценки снеговой нагрузки рассмотрена только на стадии проектирования здания, а решение проблемы определения веса снежного покрова представлено только непосредственным путем отбора в пределах метеостанций. Данные методы не целесообразны для решения задачи мониторинга снеговой нагрузки на покрытии зданий и сооружений, что подтверждает актуальность темы настоящего диссертационного исследования.
Цель исследования. Разработка способа дистанционного мониторинга веса снежного покрова (снеговой нагрузки) на кровле зданий с использованием беспилотных летательных аппаратов (БПЛА).
Объект исследования. Снеговая нагрузка на покрытии зданий и сооружений.
Предмет исследования. Дистанционный способ определения снеговой нагрузки с применением БПЛА, позволяющий оперативно предупреждать возникновение сверхнормативной снеговой нагрузки на покрытии здания
Задачи исследования.
1. Проанализировать изменения методик определения снеговой нагрузки на покрытии зданий на протяжении развития отечественных строительных норм.
2. Проанализировать существующие методики определения плотности снежного покрова в зависимости от атмосферных параметров.
3. Выполнить анализ величины допустимой снеговой нагрузки на конструкции покрытия промышленного здания (на покрытия цеха № 15 ПАО «МЗИК») и выполнить сравнение полученных результатов с нормативными снеговыми нагрузками по [1].
4. Разработать способ мониторинга снеговой нагрузки на покрытии зданий с применением БПЛА, позволяющий предупреждать ситуацию возникновения сверхнормативной снеговой нагрузки на покрытии здания.
Научная новизна исследования.
Разработан способ мониторинга снеговой нагрузки на покрытии зданий с применением БПЛА, позволяющий с высокой точностью предупредить ситуацию возникновения сверхнормативной снеговой нагрузки на покрытии в целом и его отдельных участках, в результате дистанционного замера параметров для вычисления средней расчетной величины снеговой нагрузки на покрытии с учетом слоистой структуры снега. (Заявка на патент РФ на изобретение № 2019121248) [4].
Практическая новизна исследования.
Способ мониторинга снеговой нагрузки на покрытии зданий с применением БПЛА относится к области строительства, и может быть использован при оценке снеговой нагрузки на покрытии здания в целом и его отдельных участках и позволяет с высокой точностью предупредить ситуацию возникновения сверхнормативной снеговой нагрузки на покрытии здания в целом, как следствие, предотвратить обрушение покрытия.
Применение данного способа актуально для зданий на значительной территории Российской Федерации, в частности на территории Свердловской области, где преобладает выпадение большого количества атмосферных осадков в виде снега, в том числе для зданий, в результате обследования которых было установлено ограничение снеговой нагрузки на покрытии.
Данная методика получила положительный отзыв от коллектива ООО «Проектстальконструкция».
Теоретическую и методологическую базу исследований составили данные нормативных документов, регламентирующих назначение снеговых нагрузок на покрытии зданий, статистические метеоданные, полученные в ходе наблюдений на метеостанции г. Екатеринбург (координаты 56.83°ш. 60.63°д., 281 м над уровнем моря). Кроме этого, в работе использованы материалы рабочей документации проекта № 5158 на конструкции покрытия цеха № 15, ПАО «МЗИК».
Апробация результатов исследований.
Основные результаты диссертационного исследования докладывались на следующих конференциях: V Международная конференция «Проблемы безопасности критических инфраструктур», г. Екатеринбург, 21-22 мая 2019; Всероссийский инженерный конкурс студентов, аспирантов и организаций, осуществляющий образовательную деятельность «ВИК 2019», г. Симферополь, 16-19 декабря 2019, на областном конкурсе инновационных идей «Минута технославы», г. Екатеринбург, 15 июня 2019, а также результаты диссертации используются в образовательном процессе ФГОУ ВО «УрФУ им. Б.Н. Ельцина, ИСА» при подготовке магистров по направлению «Организационно-технологические и экономические решения в строительстве» в рамках дисциплины «Разработка новых организационных и технологических решений в строительстве»
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Работа изложена на 101 странице машинописного текста, включающего 33 формулы, 26 таблиц и 62 рисунка, и библиографический список из 34 источников, приложения к работе составлены на 8 страницах.
• произведена корректировка территориального районирования по весу снежного покрова в сторону повышения снегового района;
• принято увеличение нормативного значения веса снежного покрова.
В связи с этим, многие здания и сооружения, проектирование которых осуществлялось с учетом устаревших (пониженных) значений веса снежного покрова, требует контроля снеговой нагрузки на покрытии.
Кроме того, в России увеличивается количество случаев обрушений покрытий промышленных и общественных зданий в основном из-за нарушений правил эксплуатации кровли, в том числе под влиянием технологических факторов (увлажнение снега, локальные скопления снега при уборке), что влечет превышение предельной снеговой нагрузки.
Так в Екатеринбурге в 2016 году обрушилась кровля производственного здания машиностроительного завода имени М.И. Калинина, причиной обрушения, в том числе, стал снег, скопившийся после обильного снегопада. В результате обрушения погибли 4 человека и 14 человек пострадали [2]. Основной причиной подобных инцидентов является нарушение правил эксплуатации кровли, а именно несвоевременное очищение кровли от снега. По различным причинам служба эксплуатации здания допускает накопление снежного покрова на кровле зданий, вследствие этого, его суммарный вес превышает предельную снеговую нагрузку и происходит потеря несущей способности конструкций покрытия.
В связи с этим возникает необходимость непрерывного дистанционного мониторинга веса снежного покрова на кровле зданий, позволяющего своевременно отслеживать критическую снеговую нагрузку на кровле. Для создания подобного мониторинга перспективно применение беспилотных летательных средств (далее БПЛА), таким образом, представляется возможным определение веса снежного покрова (и других его параметров) дистанционно, исключая непосредственное пребывание людей на покрытии здания (в целях обеспечения безопасности работ).
Степень разработанности темы исследования: Исследованием определения снеговой нагрузки, как правило, занимаются специалисты метеорологических организаций, преимущественно определяя запас воды в снеговом покрове. Общая идея определения снеговых нагрузок заключается в следующем: путем отбора проб снега в пробоотборный цилиндр с дальнейшим определением плотности взятого образца в лабораторных условиях [3]. Следует отметить, что данный метод является технологически нецелесообразным при мониторинге снеговой нагрузки на покрытии зданий.
Следует отметить, что имеется большое количество работ, отражающих методы моделирования снеговых нагрузок на покрытие зданий на этапе проектирования. Результаты подобных работ отражены в исследованиях Строкатова Б.П.[35], Золиной Т.В. и Садчикова П.Н. [16]
Исследуя данные работы, можно сделать вывод, что задача оценки снеговой нагрузки рассмотрена только на стадии проектирования здания, а решение проблемы определения веса снежного покрова представлено только непосредственным путем отбора в пределах метеостанций. Данные методы не целесообразны для решения задачи мониторинга снеговой нагрузки на покрытии зданий и сооружений, что подтверждает актуальность темы настоящего диссертационного исследования.
Цель исследования. Разработка способа дистанционного мониторинга веса снежного покрова (снеговой нагрузки) на кровле зданий с использованием беспилотных летательных аппаратов (БПЛА).
Объект исследования. Снеговая нагрузка на покрытии зданий и сооружений.
Предмет исследования. Дистанционный способ определения снеговой нагрузки с применением БПЛА, позволяющий оперативно предупреждать возникновение сверхнормативной снеговой нагрузки на покрытии здания
Задачи исследования.
1. Проанализировать изменения методик определения снеговой нагрузки на покрытии зданий на протяжении развития отечественных строительных норм.
2. Проанализировать существующие методики определения плотности снежного покрова в зависимости от атмосферных параметров.
3. Выполнить анализ величины допустимой снеговой нагрузки на конструкции покрытия промышленного здания (на покрытия цеха № 15 ПАО «МЗИК») и выполнить сравнение полученных результатов с нормативными снеговыми нагрузками по [1].
4. Разработать способ мониторинга снеговой нагрузки на покрытии зданий с применением БПЛА, позволяющий предупреждать ситуацию возникновения сверхнормативной снеговой нагрузки на покрытии здания.
Научная новизна исследования.
Разработан способ мониторинга снеговой нагрузки на покрытии зданий с применением БПЛА, позволяющий с высокой точностью предупредить ситуацию возникновения сверхнормативной снеговой нагрузки на покрытии в целом и его отдельных участках, в результате дистанционного замера параметров для вычисления средней расчетной величины снеговой нагрузки на покрытии с учетом слоистой структуры снега. (Заявка на патент РФ на изобретение № 2019121248) [4].
Практическая новизна исследования.
Способ мониторинга снеговой нагрузки на покрытии зданий с применением БПЛА относится к области строительства, и может быть использован при оценке снеговой нагрузки на покрытии здания в целом и его отдельных участках и позволяет с высокой точностью предупредить ситуацию возникновения сверхнормативной снеговой нагрузки на покрытии здания в целом, как следствие, предотвратить обрушение покрытия.
Применение данного способа актуально для зданий на значительной территории Российской Федерации, в частности на территории Свердловской области, где преобладает выпадение большого количества атмосферных осадков в виде снега, в том числе для зданий, в результате обследования которых было установлено ограничение снеговой нагрузки на покрытии.
Данная методика получила положительный отзыв от коллектива ООО «Проектстальконструкция».
Теоретическую и методологическую базу исследований составили данные нормативных документов, регламентирующих назначение снеговых нагрузок на покрытии зданий, статистические метеоданные, полученные в ходе наблюдений на метеостанции г. Екатеринбург (координаты 56.83°ш. 60.63°д., 281 м над уровнем моря). Кроме этого, в работе использованы материалы рабочей документации проекта № 5158 на конструкции покрытия цеха № 15, ПАО «МЗИК».
Апробация результатов исследований.
Основные результаты диссертационного исследования докладывались на следующих конференциях: V Международная конференция «Проблемы безопасности критических инфраструктур», г. Екатеринбург, 21-22 мая 2019; Всероссийский инженерный конкурс студентов, аспирантов и организаций, осуществляющий образовательную деятельность «ВИК 2019», г. Симферополь, 16-19 декабря 2019, на областном конкурсе инновационных идей «Минута технославы», г. Екатеринбург, 15 июня 2019, а также результаты диссертации используются в образовательном процессе ФГОУ ВО «УрФУ им. Б.Н. Ельцина, ИСА» при подготовке магистров по направлению «Организационно-технологические и экономические решения в строительстве» в рамках дисциплины «Разработка новых организационных и технологических решений в строительстве»
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Работа изложена на 101 странице машинописного текста, включающего 33 формулы, 26 таблиц и 62 рисунка, и библиографический список из 34 источников, приложения к работе составлены на 8 страницах.