Recommended
Recommended
More Related Content
Similar to Волны-22_Лозовский_Чуркин
Similar to Волны-22_Лозовский_Чуркин (20)
Волны-22_Лозовский_Чуркин
- 1. И. Н. Лозовский 1, А. А. Чуркин 2 1 Центр геоэлектромагнитных исследований – филиал Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Троицк, г. Москва, Россия 2 НИИОСП им. Н.М. Герсеванова АО «НИЦ «Строительство», г. Москва, Россия XXXIII Всероссийская школа-семинар «Волновые явления: физика и применения» имени А.П. Сухорукова («Волны-2022»)
- 2. Железобетонные плитные фундаменты служат для передачи нагрузок от зданий и сооружений на грунтовое основание. Фундаментные плиты позволяют равномерно распределить нагрузку по значительной площади основания. При этом в плите могут возникать избыточные напряжения, приуроченные к областям концентрации нагрузок от возводимой конструкции и ослабленным зонам на контакте конструкции и основания. Неравномерная осадка плиты может повлечь за собой чрезмерную деформацию, снижение ее прочности и долговечности, что может привести к аварийным последствиям. «Волны-2022» 2
- 3. «Волны-22" 3 Задачи контроля качества: - проверка соответствия внутреннего строения и геометрии плиты требованиям проектной документации; - оценка плотности и равномерности контакта плиты с грунтовым основанием (включая контроль качества инъектирования, выполняемого при усилении ослабленных участков грунтов в основании плиты).
- 4. «Волны-22" 4
- 5. «Волны-22" 5
- 6. «Волны-22" 6
- 7. «Волны-22" 7
- 8. «Волны-22" 8 Необходимость нормативного регулирования строительного контроля требует разработки формализованных алгоритмов обработки и интерпретации результатов измерений. Для локализации участков конструкции с потенциальными нарушениями контакта «плита- грунт» или бетоном со сниженными характеристиками применяется анализ динамических атрибутов сигналов, количественно характеризующих изменение амплитудно-частотного состава колебаний – энергии нормированного сигнала (𝐸𝑛), преобладающей частоты, площади нормированного спектра и др. 𝐸𝑛 = 𝑖=1 𝑁 | 𝑥𝑖 max({𝑥1,𝑥2,…,𝑥𝑁}) |2 , где {𝑥1, 𝑥2, … , 𝑥𝑁} – значения амплитуды сигнала.
- 9. «Волны-22" 9 Нерешенной задачей является выработка оптимального ансамбля атрибутов зарегистрированных сигналов и критериев выделения с их помощью дефектов различного рода. В настоящем докладе предлагается дополнить набор вычисляемых атрибутов мультимасштабной энтропией (Multiscale Entropy, MSE).
- 10. «Волны-22" 10 Методика расчета мультимасштабной энтропии (Multiscale Entropy, MSE) впервые предложенная в работах [1, 2], получила широкое распространение в различных областях знаний для оценки «сложности» (непредсказуемости) временных рядов на разных временных масштабах. Методика MSE-анализа основана на последовательном выполнении двух процедур для каждого выбранного масштабного фактора τ: 1) формирование нового временного ряда {𝑢1, 𝑢2, … , 𝑢𝑁} путем разделения исходного временного ряда {𝑥1, 𝑥2, … , 𝑥𝑁} на непересекающиеся сегменты, состоящие из τ отсчетов, и усреднения отсчетов в каждом сегменте; 2) расчет выборочной энтропии (Sample Entropy, SampEn) для полученного временного ряда. [1] Costa, M., Goldberger, A.L. and Peng, C.-K. (2002) ‘Multiscale Entropy Analysis of Complex Physiologic Time Series’, Phys. Rev. Lett., 89(6), p. 068102. doi:10.1103/PhysRevLett.89.068102 [2] Costa, M., Goldberger, A.L. and Peng, C.-K. (2005) ‘Multiscale entropy analysis of biological signals’, Phys. Rev. E, 71(2), p. 021906. doi:10.1103/PhysRevE.71.021906.
- 11. «Волны-22" 11 1) формирование нового временного ряда {𝑢1, 𝑢2, … , 𝑢𝑁} путем разделения исходного временного ряда {𝑥1, 𝑥2, … , 𝑥𝑁} на непересекающиеся сегменты, состоящие из τ отсчеты, и усреднения отсчетов в каждом сегменте; Wu S-D, Wu C-W, Lin S-G, Wang C-C, Lee K-Y. Time Series Analysis Using Composite Multiscale Entropy. Entropy. 2013; 15(3):1069-1084. https://doi.org/10.3390/e15031069
- 12. «Волны-22" 12 2) расчет выборочной энтропии (Sample Entropy, SampEn)1 для полученного временного ряда. Входные данные для расчета SampEn: • {𝑢1, 𝑢2, … , 𝑢𝑁} – временной ряд состоящий из N отсчетов; • m – размерность формируемых подмножеств временного ряда. В настоящем исследовании m = 2. • r – пороговое расстояние (tolerance). В настоящем исследовании 𝑟 = 0.2 · std(u), где std(u) − среднеквадратическое отклонение временного ряда. 1 Richman JS, Moorman JR. Physiological time-series analysis using approximate entropy and sample entropy. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 2000 Jun;278(6):H2039-49. doi: 10.1152/ajpheart.2000.278.6.H2039.
- 13. «Волны-22" 13 2) расчет выборочной энтропии (Sample Entropy, SampEn) для полученного временного ряда. Процедура расчета SampEn: 2.1) временной ряд разбивается на подмножества размерности m 𝒖𝑖 𝑚 = 𝑢𝑖, 𝑢𝑖+1, … , 𝑢𝑖+𝑚−1 , 1 ≤ 𝑖 ≤ 𝑁 − 𝑚 2.2) выполняется расчет расстояния 𝑑𝑖𝑗 𝑚 между двумя подмножествами (𝒖𝑖 𝑚 , 𝒖𝑗 𝑚 ) 𝑑𝑖𝑗 𝑚 = 𝒖𝑖 𝑚 − 𝒖𝑗 𝑚 ∞ , 1 ≤ 𝑖, 𝑗 ≤ 𝑁 − 𝑚, 𝑗 ≠ 𝑖 2.3) определяется B – количество «неразличимых» пар подмножеств (𝒖𝑖 𝑚 , 𝒖𝑗 𝑚 ), расстояние между которыми не превышает пороговое расстояние r 2.4) шаги 2.1-2.2 повторяются для размерности m = m + 1. Определяется A – количество «неразличимых» пар подмножеств (𝒖𝑖 𝑚+1 , 𝒖𝑗 𝑚+1 ), расстояние между которыми не превышает r. 2.5) Рассчитывается выборочная энтропия 𝑆𝑎𝑚𝑝𝐸𝑛 𝒖, 𝑚, 𝑟 : 𝑆𝑎𝑚𝑝𝐸𝑛 𝒖, 𝑚, 𝑟 = − ln 𝐴 𝐵
- 14. «Волны-22" 14 {𝑎1, 𝑎2, … , 𝑎𝐿} – массив из L оценок значений атрибута, рассчитанного для каждого пункта наблюдения. В качестве аномальных предлагается выделять атрибуты 𝑎𝑖 ≥ 𝑚𝑒𝑑 + 3 · 𝑀𝐴𝐷, где 𝑚𝑒𝑑 – медиана (серединное значение) массива, 𝑀𝐴𝐷 – абсолютное медианное отклонение массива (“медиана абсолютного отклонения от медианы”).
- 15. «Волны-22" 15 Объект исследования: Опытный стенд, имитирующий обделку тоннеля. Из стандартных бетонных блоков толщиной 250 мм было собрано одно полное кольцо тоннеля с сохранением всех основных регламентных параметров (гидроизоляция, момент протяжки болтов и т.п.). Собранное кольцо заглублено в грунт на глубину чуть более ширины кольца. С внешней стороны кольца устроена полость шириной не менее 200 мм. Для большей половины кольца производилось ее заполнение тампонажным раствором, оставшийся сегмент частично засыпался рыхлым грунтом. Организация опытных работ: АО «Мосинжпроект» Проведение опытных работ: «СпецГеоТрансПроект» и «Горный институт НИТУ МИСиС»
- 16. «Волны-22" 16 Методика эксперимента: в пределах п.н. 1-18 выполнен тампонаж затоннельного пространства. В пределах п.н. 19-20 и 29-32 затоннельное пространство засыпано рыхлым грунтом. В пределах п.н. 21-28 грунт из затоннельного пространства был извлечен и выполнена первая серий измерений (п.н. 1-32). После полость была засыпана грунтом и выполнена вторая серия измерений (для п.н. 18-32). Оборудование: молоток с металлическим бойком (вес бойка – 70 г), сейсмостанция ИДС-1 (ООО "Логические системы");
- 17. «Волны-22" 17
- 18. «Волны-22" 18
- 19. «Волны-22" 19
- 20. «Волны-22" 20
- 21. «Волны-22" 21 Объект исследования: фундаментная плита в составе объекта незавершенного строительства, г. Москва; Причина проведения обследования: неравномерные осадки плиты относительно подколонных ростверков и стен возводимого сооружения; Оборудование: резиновая киянка (вес бойка – 400 г), сейсмостанция ИДС-1 (ООО "Логические системы"); Методика: взаимное расположение 29 точек наблюдения выбиралось из соображения равноудаленности от возможных источников акустических помех – пилонов, колонн, технических отверстий и дренажных приямков.
- 22. «Волны-22" 22
- 23. Представлена методика атрибутного анализа результатов виброакустического контроля плитоподобных железобетонных конструкций. Ансамбль анализируемых атрибутов предложено дополнить мультимасштабной энтропией. Для выделения аномальных значений атрибутов, ассоциируемых с ослабленными зонами на контакте конструкции и основания или нарушениями сплошности конструкции предложено использовать робастные статистические критерии. Аномальными считаются значения, превышающие медиану массива, составленного из оценок атрибута в каждом пункте наблюдения, более чем на 3 абсолютных медианных отклонения. Эффективность применения энтропийного анализа подтверждена первыми результатами опытно-методических работ. При этом чувствительность разномасштабных оценок энтропии к различным типам дефектов плитоподобных конструкций требует дальнейших исследований с использованием численного и физического моделирования. «Волны-22" 23
- 24. СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ! «Волны-22" 24 HTTPS://ISTINA.MSU.RU/PROFILE/LOZOVSKY/ HTTPS://ISTINA.MSU.RU/PROFILE/CHURKIN_ALEXEY
Editor's Notes
- Фундаментные плиты – это монолитные железобетонные конструкции, которые служат для передачи нагрузок от зданий и сооружений на грунтовое основание. Плиты позволяют равномерно распределить нагрузку, но при этом в них могут возникать избыточные напряжения, приуроченные к областям концентрации нагрузок от возводимой конструкции и ослабленным зонам на контакте конструкции и основания. Неравномерная осадка плиты может повлечь за собой ее чрезмерную деформацию, снижение прочности и долговечности, что в свою очередь может привести к аварийным последствиям.
- Задачи контроля качества фундаментных плит входит проверка соответствия внутреннего строения и геометрии плиты требованиям проекта; оценка плотности и равномерности контакта плиты с грунтовым основанием. Помимо локальных и дорогостоящих прямых методов, контроль качества фундаментных плит выполняется с использованием косвенных неразрушающих методов, основанных на изучении взаимодействия физических полей с объектом контроля.
- Среди неразрушающих методов наиболее простым и экономически эффективным является метод анализа отклика или виброакустический метод, основанный на анализе акустических волн, возбуждаемых в плите ударом молотка с известным весом и материалом бойка.
- Для проведения измерений вся площадь объекта контроля покрывается сетью пунктов наблюдения. В каждом пункте упругие волны возбуждаются ударным способом и регистрируются с помощью установленного поблизости сейсмоприемника - акселерометра или велосиметра.
- На данном слайде представлены фотографии, демонстрирующие процесс проведения полевых испытаний
- На каждом пункте наблюдений регистрируются акустические сигналы, представляющие собой зависимости скорости смещения частиц от времени
- Сложное волновое поле, обусловленное геометрическими и конструктивными особенностями объектов контроля, зачастую не позволяет использовать классические подходы к анализу зарегистрированных сигналов. Необходимость нормативного регулирования строительного контроля также требует разработки формализованных алгоритмов обработки и интерпретации результатов измерений. Для … и других. При этом наиболее часто применяемым является атрибут энергии, а возможности и ограничения остальных атрибутов продолжают изучаться.
- Нерешенной задачей акустического контроля плитоподобных конструкций является выработка оптимального ансамбля атрибутов зарегистрированных сигналов и критериев выделения с их помощью дефектов. В настоящем докладе предлагается дополнить набор вычисляемых атрибутов мультимасштабной энтропией.
- Методика расчета мультимасштабной энтропии была предложена Мадалиной Коста и соавторами и получила широкое распространение в различных областях знаний для оценки «сложности» или непредсказуемости временных рядов на разных временных масштабах. Методика основана на последовательном выполнении двух процедур для каждого выбранного оператором масштабного фактора τ: 1) формирование нового временного ряда путем разделения исходного временного ряда на непересекающиеся сегменты, состоящие из τ отсчетов, и усреднения отсчетов в каждом сегменте; 2) расчета выборочной энтропии для полученного временного ряда.
- Давайте остановимся подробнее на каждом из двух пунктов. Рассмотрим в качестве примера формирование нового временного ряда для масштабного фактора 2. Исходный временной ряд делится на сегменты, каждый из которых состоит из двух отсчетов. Новая выборка формируется путем усреднения отсчетов в каждом сегменте. Для масштабного фактора 3 временной ряд делится на сегменты из трех отсчетов, выполняется усреднение. И так далее
- Для каждого масштабного фактора для полученного временного ряда выполняется расчет выборочной энтропии. Входными данными для расчета энтропии является временной ряд из N отсчетов; m – размерность формируемых подмножеств временного ряда. В настоящем исследовании принятая равной двум. r – пороговое расстояние. В настоящем исследовании принятое равным 20 процентам от среднеквадратического временного ряда.
- Для расчета выборочной энтропии 2.1) временной ряд разбивается на подмножества размерности m 2.2) выполняется расчет расстояния между каждой парой подмножеств 2.3) определяется количество «неразличимых» пар подмножеств размерности m. Неразличимыми считаются пары, расстояние между которыми не превышает пороговое расстояние r. 2.4) Далее шаги 2.1-2.2 повторяются для новой размерности, превышающей m на единицу. Определяется количество «неразличимых» пар подмножеств размерности m+1. 2.5) После чего выполняется расчет выборочной энтропии как минус один умножить на натуральный логарифм отношения количества «неразличимых» пар подмножеств размерности m+1 к количеству «неразличимых» пар подмножеств размерности m.
- Важным вопросом является разработка критериев выделения аномальных значений атрибутов сигналов, зарегистрированных на объекте контроля. Для решения данной задачи в настоящем исследовании предлагается использовать робастный статистический критерий. В качестве аномальных принимаются значения атрибутов, превышающие медиану массива, составленного из оценок атрибута в каждом пункте наблюдения, более чем на 3 абсолютных медианных отклонения.
- Перейдем к проверке предложенного подхода результатами опытно-методических работ. Объект исследования представляет собой опытный стенд, имитирующий обделку тоннеля. Одно полное кольцо тоннеля было собрано из стандартных бетонных блоков и заглублено в грунт.
- Рассмотрим схему опытного стенда и систему измерений. в пределах п.н. 1-18 перед измерениями был выполнен тампонаж затоннельного пространства. В пределах п.н. 19-20 и 29-32 затоннельное пространство засыпано рыхлым грунтом. В пределах п.н. 21-28 грунт из затоннельного пространства был извлечен и выполнена первая серий измерений (п.н. 1-32). После полость была засыпана грунтом и выполнена вторая серия измерений (для п.н. 18-32).
- Вот как выглядит данный участок стенда на фото. Между пикетами 25 и 26 расположен разрыв опытного кольца. Так выглядит полость, засыпанная после первого этапа измерений.
- А так выглядел сам процесс проведения измерений
- На данном слайде представлены результаты расчета энергии нормированных акустических сигналов, зарегистрированных до и после обратной засыпки. Результаты измерений до засыпки позволили ярко выделить область разрыва опытного кольца. И менее явно и очевидно – области с рыхлым грунтом в затуннельном пространстве. После засыпки, энергия сигналов снизилась, что подтверждает чувствительность атрибута к оценке контактных условий «конструкция-грунт».
- Тут показаны результаты расчета выборочной энтропии для масштабного фактора 5. Результаты измерений позволили устойчиво выделить зоны с рыхлым грунтом в затуннельном пространстве, особенно ярко - зону в пределах пикетов 18-21. После засыпки, энтропия сигналов снизилась, что также подтверждает чувствительность энтропии к оценке контактных условий.
- Рассмотрим результаты применения методики для анализа данных полевых испытаний фундаментной плиты в Москве. Причиной проведения обследования стали неравномерные осадки плиты относительно ростверков и стен возводимого сооружения. Измерения выполнялись на 29 пунктах наблюдений, распределенных по площади плиты.
- Результаты интерпретации данных по предложенной в докладе методике позволили выделить ослабленную зону в центральной части плиты, как по атрибуту энергии, так и по значениям энтропии. Данная зона была рекомендованна для последующего усиления методом инъектирования.
- Представлена методика атрибутного анализа результатов виброакустического контроля плитоподобных железобетонных конструкций. Ансамбль вычисляемых атрибутов предложено дополнить мультимасштабной энтропией. Для выделения аномальных значений атрибутов, ассоциируемых с ослабленными зонами на контакте конструкции и основания или нарушениями сплошности конструкции предложено использовать робастные статистические критерии. Аномальными считаются значения, превышающие медиану массива, составленного из оценок атрибута в каждом пункте наблюдения, более чем на 3 абсолютных медианных отклонения. Эффективность применения энтропийного анализа подтверждена первыми результатами опытно-методических работ. При этом чувствительность разномасштабных оценок энтропии к различным типам дефектов плитоподобных конструкций требует дальнейших исследований с использованием численного и физического моделирования.