Защита диссертации Жарасова Шынгыса Жарасовича на соискание степени доктора философии (PhD) по специальности «8D07329 - Строительство»
В Евразийском национальном университете имени Л.Н. Гумилева состоится защита диссертации на соискание степени доктора философии (PhD) Жарасова Шынгыса Жарасовича на тему «Исследование на основе сенсоров зависимости между внутренними и внешними факторами, влияющими на набор прочности бетона» по специальности «8D07329 – Строительство».
Диссертация выполнена на кафедре «» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева.
Язык защиты - на английском
Рецензенты:
Монтаев Сарсенбек Алиакбарұлы
Нугужинов Жмагул Смагулович - доктор наук, профессор, Карагандинский государственный технический университет, Директор института
Временные члены Диссертационного совета:
Молдамуратов Жангазы Нуржанович - доктор философии(PhD), ассоциированный профессор, Международная образовательная корпорация, Декан факультета
Аввад Талал - Практик-профессор
Kang Jeong Ku - доктор философии(PhD), Инчеонский национальный университет, Профессор (и.о.)
Научные консультанты:
Утепов Елбек Бахитович
Анискин Алексей
Защита состоится: 18 апреля 2024 года 11:00 часов в Диссертационном совете по направлению подготовки кадров «8D073 – Архитектура и строительство» по специальности «8D07329 – Строительство» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева. Проведение заседания диссертационного совета в онлайн формате.
Ссылка: http://surl.li/rcfyv
Адрес: г. Астана, ул. К. Сатпаева, 2, Учебно-административный корпус, аудитория №302.
Аннотация (рус.): Цель диссертационного исследования: Экспериментально выявить взаимосвязь между внутренними и внешними факторами, влияющими на набор прочности бетона, используя встроенные и внешние сенсорные устройства. Задачи исследования: 1. Анализ современного состояния и обзор литературы. 2. Сборка беспроводных сенсорных устройств для мониторинга внутренних и внешних параметров. 3. Проведение лабораторных и полевых испытаний на основе традиционных методов и сенсорных измерений. 4. Исследование взаимосвязи между внутренними и внешними факторами, влияющими на набор прочности бетона. 5. Разработка технологического регламента для беспроводного мониторинга бетонных конструкций. Методы исследования: Был проведен тщательный анализ литературы. В качестве основного материала использовалась смесь на основе цемента, указанная как класс B25 и марка M350. Кроме того, в эксперименте использовались двухкомпонентный ABS пластик и силикон, буферные порошки с уровнями pH 4,00 и 9,18, а также дистиллированная вода с уровнем pH 7,00. В комплект оборудования входили склерометр, гидравлический пресс, климатическая камера и ноутбук. Подготовка к эксперименту заключалась в изготовлении образцов бетона различных форм, включая цилиндрическую, кубическую и форму большого куба. Для обеспечения точности измерения проводились каждые 30 минут в течение 28 дней, а собранные данные получали визуальное представление с помощью различных графических инструментов. Станции мониторинга нашли стратегическое расположение в лаборатории или на строительной площадке. Этап проектирования включал в себя как 2D, так и 3D элементы. Программное обеспечение CAD облегчило создание точных 2D-эскизов устройства, а программа Blender позволила визуализировать 3D-компоненты. Напечатанные 3D-прототипы подверглись доработке путем удаления или растворения ненужных структур после печати. В ходе итеративного процесса создания прототипов постоянно выявлялись и исправлялись недостатки. На этапе тестирования корпуса, заполненные бумагой, погружались в воду для оценки водонепроницаемости. Появление влаги на бумаге свидетельствовало о проникновении воды. Для оценки прочности на сжатие использовалась электромеханическая пресс-машина, а место повреждения на корпусе документировалось. Испытания на ударопрочность заключались в сбрасывании корпусов с различной высоты и регистрации повреждений. В области разработки аппаратного и программного обеспечения система опиралась на такие компоненты, как микроконтроллер Arduino, датчики температуры и рН, а также специальная станция сбора данных. Что касается программного обеспечения, то кодирование осуществлялось на языке C++ в среде VisualStudio Code: Platformio. Кроме того, микроконтроллер Arduino оснащен стандартным загрузчиком для обновления кода через программу Arduino IDE, а все данные с датчиков направляются в специальное серверное приложение. Для анализа прочности бетона был использован метод Nurse-Saul в сочетании со специальным уравнением для температурных изменений. Наложение линий тренда с использованием значений, полученных как по методу Nurse-Saul, так и по специальному уравнению, позволило достичь точности 99,9% для значений прочности. Ежедневно проводились расчеты по определению коэффициентов для таких параметров, как температура твердения, температура окружающей среды, влажность и уровень pH, с целью оценки их влияния на прочность бетона. Сравнение результатов прочности бетона, полученных с помощью различных методик, позволило выявить взаимосвязь между набором прочности и зрелостью. Сигнальные испытания прочности включали в себя перемещение образцов бетона на различные расстояния от станции мониторинга и включение городских препятствий для оценки их влияния. Чтобы достичь глубокого понимания, были проведены расширенные статистические анализы. Всестороннее исследование было проведено с помощью однофакторного анализа ANOVA. На основе температурных данных были выявлены значительные различия в средних значениях параметров с помощью метода Шеффе и достоверного теста Тьюки на значимость. Кроме того, метод порозиметрии с проникновением ртути оказался полезным для получения подробной информации об объеме пор и их распределении в образцах. Основные положения (доказанные научные гипотезы и другие выводы, являющиеся новыми знаниями), выносимые на защиту 1. В литературном обзоре описаны различные методы контроля прочности бетона, такие как встраиваемые датчики и "метод зрелости", в зависимости от требований страны. Однако новые решения на основе датчиков, особенно те, которые предлагают беспроводной мониторинг через Bluetooth, имеют свои ограничения. Такие решения часто препятствуют проведению одновременных измерений и могут создавать проблемы для строительных компаний, в том числе в Казахстане, из-за высокой стоимости единицы датчика (например, 80 долларов) и дополнительной абонентской платы за программное обеспечение. Кроме того, в большинстве решений отсутствует отдельное устройство многоразового использования для получения логарифмической функции зрелости-прочности для конкретных бетонных смесей, что приводит к ненужным расходам на одноразовые датчики. Хотя некоторые из них предлагают адаптируемые функции прочности-зрелости, основанные на исторических данных, их применение к местным бетонным смесям может дать искаженные результаты. 2. Тестирование различных микроэлектронных компонентов и интерфейсов прикладного программирования позволило разработать экономически эффективную ИТ-архитектуру для системы мониторинга прочности бетона. Предлагаемая система объединяет беспроводные встраиваемые датчики прочности, систему станции сбора данных и веб-ГИС. Физические устройства, использующие микроконтроллер Arduino и беспроводной модуль Lora, выполнены в литых пластиковых корпусах размером 123×42×38 мм для датчиков прочности и 260×110×90 мм для станции сбора данных. Веб-ГИС использует API OpenLayers JavaScript. Предлагаются две версии сенсорных устройств: многоразовая версия для выведения функции "зрелость-прочность" и одноразовая версия для измерений на месте. 3. Лабораторные исследования, сравнивающие целостность, водонепроницаемость и долговечность двух корпусов датчиков зрелости, показали, что цилиндрическая конструкция превосходит прямоугольный аналог. Цилиндрический корпус продемонстрировал устойчивость, выдержав погружение в воду в течение месяца без какого-либо проникновения воды. Кроме того, он продемонстрировал устойчивость к потенциальному удару при падении с высоты 2 м и противостоял силе сдавливания, превышающей в 1,5 раза средний вес взрослого человека. 4. Лабораторные исследования товарного бетона с заводов "Темирбетон-1" (Алматы, Казахстан) и "АБК-Бетон" (Астана, Казахстан) по методу зрелости Nurse-Saul показали значительные различия в функциях "зрелость-прочность". Несмотря на использование одних и тех же марок бетона B25 M350, были получены различные функции, что свидетельствует о различиях в развитии прочности: S=9,6494ln(M)-22,516 для "Темирбетон-1" и S=6,7279ln(M)-12,862 для "АБК-Бетон". 5. Во время тестирования дальности связи используемого модуля Lora было замечено, что, несмотря на заявленную производителем дальность в 2,5 км, значения индекса силы принимаемого сигнала снижались на -20 дБм на 30 м дальности в городской среде с естественными препятствиями. Это снижение сохранялось до тех пор, пока сигнал не пропал за пределами 90 м от точки приема, когда датчик зрелости был встроен в бетонный образец размером 200×200×200 мм. В беспрепятственной среде индекса силы принимаемого сигнала продемонстрировал более благоприятные характеристики, уменьшившись максимум на -10 дБм на 30 м, а потеря сигнала произошла за пределами 270 м. Таким образом, разработанные датчики зрелости могут стабильно передавать данные измерений на реальной строительной площадке на расстояния от 90 до 270 м при встраивании в бетонную конструкцию. 6. Полевые испытания в жилых комплексах "Lake Town" (Алматы) и " New line" (Астана) подтвердили работоспособность разработанной системы мониторинга прочности бетона. Это подтверждается одобрением предложенного технологического регламента руководством строительных организаций. Впоследствии технологический регламент был интегрирован в качестве стандарта организации в ТОО "CSI Research&Lab", обозначен кодом СТО CSI 001-2021. 7. Предложенный в данном исследовании комплексный метод определения зрелости позволяет косвенно учесть внутренние и внешние факторы, влияющие на прочность бетона. Аналогично традиционному методу Nurse-Saul, он включает температуру окружающей среды и относительную влажность в процесс созревания бетона, предлагая более тонкое понимание влияния каждого фактора. Экспериментально установлено, что суммарное влияние температуры твердения, температуры окружающей среды и относительной влажности для товарного бетона B25 M350 с завода "Темирбетон-1" (Алматы, Казахстан) составило 47%, 22% и 31% соответственно. Это наблюдение объясняется тем, что испытания проводились в летнее время, а температура окружающей среды поддерживалась на уровне около 20°C. 8. Кривая прочности, полученная с помощью комплексного метода определения зрелости, показала снижение на 10,7% по сравнению с результатами испытаний на сжатие. В отличие от изменчивости значений прочности, полученных ударно-импульсным методом, комплексный метод определения зрелости продемонстрировал большую согласованность, о чем свидетельствуют коэффициенты детерминации: 0,9357 для комплексного метода определения зрелости и 0,8965 для ударно-импульсного метода. 9. В последующих исследованиях будет изучено дополнительное влияние уровня pH на развитие прочности бетона. Предварительные испытания образцов бетона, сформованных из смесей с исходным уровнем pH 4,0, 7,0 и 12,0, показали, что более низкий исходный уровень pH (щелочная среда) оказывает более выраженное влияние на развитие прочности, чем более высокий уровень pH (кислотная среда). Анализ данных наглядно демонстрирует, как уровень pH оказывает решающее влияние на прочность бетона, что подтверждается значительными статистическими данными. Значение p-value 2,9 × 10-168 подтверждает, что эти различия не случайны, а метод Шеффе указывает на заметные различия в прочности между pH 4,0, 7,0 и 12, подчеркивая влияние pH наряду с изменениями температуры. Корреляционные исследования показывают сильную или весьма сильную связь между температурой и pH, с коэффициентами от -0,657 до -0,860, указывающими на заметную отрицательную корреляцию с прочностью бетона. Этот анализ классифицирует силу корреляции от слабой до весьма сильной, что дает представление о взаимосвязи параметров. Кроме того, однофакторные тесты ANOVA подчеркивают значительную роль pH исходной воды в наборе прочности, о чем свидетельствуют существенные различия в данных по прочности и температуре при разных значениях pH. Результаты ANOVA и значительное p-значение 2,4 × 10-261 для температурных данных подчеркивают важность контроля pH для оптимизации структурной целостности бетона, представляя убедительные аргументы в пользу тщательного управления pH в строительной практике. 10. Дальнейшая работа будет направлена на интеграцию датчика влажности для обеспечения непрерывного процесса отверждения бетона, контролирующего скорость его гидратации, на внедрение передовой аналитики данных и машинного обучения для принятия решений в реальном времени, а также на улучшение индекса силы принимаемого сигнала и дальности действия за счет усиления антенного модуля датчика. Описание основных результатов исследования: Современные строительные проекты значительно расширяются благодаря появлению сложных технологий, гарантирующих прочность и качество бетона. Это особенно важно в зимний период, когда температура играет решающую роль в процессе затвердевания. Первые дни после заливки бетона имеют решающее значение для набора им прочности. Сталкиваясь с непредсказуемыми проблемами, такими как отсутствие обогрева или поставок бетона, профессионалы отрасли разработали системы для своевременного контроля прочности бетона и эффективного сбора данных. Эти достижения позволяют предвидеть возможные неудачи, обеспечивая реализацию проектов без ненужных задержек. Использование современного оборудования в сочетании со строго определенными методиками позволяет точно контролировать температурно-прочностные характеристики бетона. Время твердения и зрелость бетона - показатель продолжительности затвердевания материала - являются существенными факторами, влияющими на его прочность. В настоящее время существуют современные измерительные приборы, позволяющие строителям быстро и точно проверить качество бетона, что помогает принять решение о дальнейших строительных работах. Для управления этими важнейшими процессами существуют различные международные стандарты и нормы, такие как ASTM C1074-17 и DIN EN 13670. Эти стандарты обеспечивают основу для использования конкретных датчиков и методик при измерении свойств бетона, гарантируя надежность и точность собранных данных на объекте. Одним из широко признанных методов, применяемых во всем мире, в том числе в таких странах, как Южная Корея, является "метод зрелости". Этот стандартизированный подход помогает эффективно прогнозировать прочность бетона. В сочетании с другими методами оценки, такими как неразрушающий контроль и испытания на прочность, он обеспечивает безопасность и долговечность возводимых конструкций. Несколько математических формул играют ключевую роль в этом контексте. Например, формулы Nurse-Saul и Arrhenius используются для расчета и прогнозирования прочности бетона. Эти формулы подчеркивают критическую важность температуры в отношении зрелости и предельной прочности материала. Точно оценивая эти факторы, специалисты в области строительства могут обеспечить структурную целостность и долговечность своих проектов, придерживаясь высочайших стандартов безопасности и качества. Во второй главе представлен всесторонний анализ и тестирование конструкций корпусов мультисенсорных устройств, в результате которого были сделаны значительные выводы, касающиеся их структурной целостности, водонепроницаемости и прочностных характеристик. Процесс разработки включал в себя несколько важнейших этапов, от создания ИТ-архитектуры до проектирования защитного корпуса, создания прототипа, сборки и всестороннего тестирования работоспособности в различных условиях. Основные численные результаты и выводы: 1. Водонепроницаемость: Цилиндрический корпус подтвердил свою 100-процентную водонепроницаемость после тщательного испытания на погружение в воду в течение одного месяца, продемонстрировав превосходную водостойкость по сравнению с прямоугольным корпусом, который вышел из строя всего через три дня. 2. Испытания на целостность: В результате испытаний на целостность оба корпуса получили незначительные повреждения: у прямоугольного корпуса после падения с высоты 2 м появилась трещина на винтовом соединении, что свидетельствует об уязвимости дизайна. Цилиндрическая конструкция, напротив, продемонстрировала большую устойчивость к физическим воздействиям. 3. Испытания на сжатие: Испытания на сжатие показали, что цилиндрический корпус выдерживает большую нагрузку по сравнению с прямоугольным. Максимальная нагрузка при одноосном сжатии для сторон A, B и C цилиндрического корпуса составила 1,65, 0,77 и 1,44 кПа, соответственно, по сравнению с 0,91, 0,6 и 2,11 кПа для прямоугольного корпуса. Это свидетельствует о более высокой прочности цилиндрического корпуса и однородности конструкции. 4. Эффективность дизайна: Конструкция цилиндрического корпуса, исключающая необходимость в резьбовых соединениях и резиновой гидроизоляции, оказалась менее трудоемкой и более экономичной. Внутренняя структура крышки, аналогичная структуре крышек пластиковых бутылок, обеспечивает эффективную гидроизоляцию без дополнительных компонентов. 5. Надежность: Исследование показало, что цилиндрический корпус более надежен благодаря постоянному отклонению сопротивления по трем сторонам (26%), что значительно ниже, чем у прямоугольного корпуса (49%). Надежность также подтверждается его полной водонепроницаемостью и повышенной несущей способностью. Результаты разработки и тестирования конструкций корпусов мультисенсорных устройств подчеркивают влияние формы корпуса и конструктивных особенностей на производительность и долговечность устройства. Цилиндрический корпус оказался наиболее эффективным, обеспечивая исключительную водонепроницаемость, большую несущую способность и общую надежность. Данное исследование иллюстрирует важнейшую роль тщательного проектирования и тестирования в создании прочных, эффективных и надежных корпусов электронных устройств. Оно также показывает, что даже небольшие изменения в структуре и форме корпусов могут существенно повлиять на их физико-механические свойства, что говорит в пользу подхода к проектированию, который минимизирует сложность при максимальном увеличении производительности и долговечности. В третьей главе представлен всесторонний анализ повышения прочности бетона, мониторинга температуры твердения и разработки беспроводных систем связи для управления строительными проектами. Исследование начинается со сравнения показателей набора прочности, измеренных методом ударного импульса для двух больших образцов, и отмечается минимальное различие между ними. Исследование подчеркивает важность мониторинга температуры твердения, показывая значительное повышение температуры при переходе к городским условиям, подчеркивая роль условий окружающей среды на твердение бетона. Основные численные результаты включают: Колебания температуры около 20±1°C в течение первых 11 дней. Повышение температуры до 29°C с колебаниями в 2-3°C в городских условиях. Отклонения интервалов поступления данных: в среднем 33 минуты 20±10 секунд; иногда отклонения составляют более 1 часа. Интервалы поступления данных: 93,9 % - вовремя, 4,7 % - с опозданием более чем на 0,5 часа, 0,6 % - с задержкой на 1 час, 0,2 % - с задержкой на 2 часа, 0,3 % - с задержкой на 2,5 часа. Сила сигнала: максимальное расстояние 270 метров в беспрепятственных условиях, ограниченное 90 метрами с препятствиями; надежное соединение в пределах 30-60 метров. Набор прочности бетона при различных температурах твердения (в МПа) в течение 1, 3, 7, 14 и 28 дней: 1 день: 12.71, 12.30, 12.54, 12.862, 12.9, 13.26, 13.36 3 день: 17.53, 20.44, 22.15, 22.26, 22.8, 23.51, 23.22 7 день: 23.2, 24.22, 24.3, 24.86, 24.2, 24.2, 24.24 14 день: 31.54, 26.74, 25.1, 24.5, 26.01, 26.86, 28.12 28 день: 34.7, 34.03, 34.01, 33.96, 33.9, 33.08, 33.1 Коэффициент детерминации (R2) для логарифмической функции: 0.9564. Коэффициенты корреляции между прочностью на сжатие, температурой отверждения, температурой окружающей среды и относительной влажностью: -0,4654, -0,2861, 0,0464; внутренняя температура: -0,4652, 0,1152, 0,1053; температура окружающей среды: -0,2863, -0,8723; относительная влажность: 0,0460, -0,8721. Степень влияния на набор прочности: температура твердения 58%, температура окружающей среды 36%, относительная влажность 6%. Пик температуры твердеющего бетона: 37ºC. Окружающие условия во время мониторинга: температура колебалась от 10 до 25 ºC, уровень влажности колебался от 29 до 100%. Бетон достиг прочности на сжатие более 70% от ожидаемой прочности для бетона марки M350 через 7 дней. Индексы зрелости на 1, 3, 7, 14 и 28 день: 30.88, 47.24, 97.29, 145.53, 260°C-день. Коэффициент детерминации для корреляции зрелость-прочность: 0.9793. Максимальная температура твердения достигает 21°C в первые 3 дня. Разница в результатах прочности между ударно-импульсным методом и сжатия: 13,5% выше для метода ударного импульса; 11% меньше для метода зрелости Nurse-Saul по сравнению с методом прямого сжатия. Эти цифровые результаты включают в себя показания температуры, прирост прочности при различных условиях, отклонения в интервалах передачи данных и корреляции между различными параметрами, связанными с твердением бетона и развитием прочности. В четвертой главе подробно рассматривается взаимосвязь между многочисленными факторами, такими как температура, относительная влажность и метод твердения, и то, как они влияют на динамику набора прочности бетона с течением времени. В ходе работы было обнаружено, что высокие значения коэффициентов, особенно те, у которых R2 равен 1, свидетельствуют о сильных приближениях в полученных уравнениях. Эта точность была очевидна, поскольку эти уравнения точно отражали значения прочности как для метода сжатия, так и для метода ударного импульса, продолжаясь до 28-дневного интервала. При наблюдении за процессом затвердевания бетона был заметен скачок температуры, достигший 36,7 °C в первые два дня затвердевания. Этот пик был вызван схватыванием бетона. После этого наблюдались колебания температуры, которая снизилась до 2,65 °C к концу 28 дней. Также была выявлена обратная зависимость между влажностью и температурой. Последующее исследование дало наглядное представление о зависимости между температурой твердения, относительной влажностью и температурой окружающей среды в зависимости от прочности бетона. Особое внимание было обращено на выраженную корреляцию между температурой твердения и набором прочности, причем в определенные дни. При рассмотрении степени влияния было выявлено, что температура твердения в основном определяет прочность бетона. Однако были определенные дни, когда внешняя температура и влажность имели приоритет. Эти наглядные пособия помогли выявить эти различия. При наблюдении за ростом прочности и различными методами испытаний было проведено сравнение между различными методами, такими как метод зрелости и метод ударного импульса, и стандартными испытаниями на сжатие. Такое сопоставление подчеркнуло отличительные характеристики и эффективность каждого метода испытаний при оценке прочности бетона. Кроме того, использование таких статистических методов, как ANOVA и метод Шеффе, позволило провести углубленную оценку различий в данных, уделяя основное внимание таким факторам, как уровень pH, температура и прочность. В ходе исследования были выявлены значительные различия в температурных и прочностных характеристиках при различных уровнях pH. Корреляционный анализ выявил убедительную отрицательную зависимость между уровнем pH и прочностью бетона. Более того, наблюдалась ярко выраженная обратная зависимость между прочностью бетона и температурой. Это означает, что при повышении температуры прочность бетона значительно снижается. Эти взаимосвязи свидетельствуют о глубоком влиянии уровня pH и температуры на структурную целостность и прочность бетона. Эти выводы подчеркивают первостепенную важность учета таких факторов, как температура, относительная влажность и pH, при подготовке и схватывании бетона. Тщательная оценка и всесторонние испытания необходимы для определения долговечности и надежности бетонных инфраструктур, особенно в условиях, подверженных колебаниям окружающей среды. Основные численные результаты включают: 1. Температурные показатели: Цилиндрические образцы достигли пика при 21°C, а большие кубические образцы - при 32°C. 2. Падение температуры: Для цилиндрических образцов температура упала до 8°C на 28-й день. Температура больших кубических образцов также упала до 8°C. 3. Результаты испытаний на прочность: Приведены для дней 1, 3, 7, 14 и 28 для различных типов образцов (цилиндрических, кубов и блоков) с различными значениями МПа. 4. Мониторинг температуры и влажности: Внутренняя температура варьировалась от 3°C до 25°C, а относительная влажность окружающей среды составляла 40-60%. 5. Коэффициенты детерминации Корреляция между прочностью и зрелостью: R2=0.9793. Тренд прочности на сжатие: R2=0.9987. 6. Результаты ANOVA Температурные данные: P-значение = 2,4×10-261 Данные по прочности: P-значение = 2,9×10-168 7. Коэффициенты корреляции Для pH 4,0 корреляция с температурой = 0,70535, корреляция с прочностью = - 0,86042. Для pH 7.0, корреляция с температурой = 0.54236, корреляция с прочностью = - 0.65684. Для pH 12 корреляция с температурой = 0,60822, корреляция с прочностью = - 0,69992. В пятой главе описана методика беспроводного мониторинга бетонных конструкций с использованием встроенных датчиков зрелости. Этот метод был предложен и реализован в виде стандарта под названием "STO CSI 001-2021" компанией CSI ТОО "Research&Lab". Основной целью является отслеживание в режиме реального времени для обеспечения надежности конструкции. Для приведения в соответствие с установленными отраслевыми стандартами в ходе исследования были изучены различные нормативные документы и определены четкие термины для обеспечения общего понимания. Были подчеркнуты основополагающие принципы беспроводного мониторинга, что подчеркивает его актуальность в современных условиях строительства. Детальное внимание было уделено техническим характеристикам и эксплуатационным возможностям датчика температуры. Пользователям было предоставлено исчерпывающее руководство для простого и точного взаимодействия с датчиком. Роли и обязанности всех участников процесса мониторинга были четко определены для обеспечения эффективного и бесперебойного мониторинга. Перед применением датчики были тщательно протестированы на надежность и работоспособность в различных условиях. Особое внимание было уделено безопасности персонала: были разработаны инструкции, обеспечивающие безопасное взаимодействие с датчиком температуры и сопутствующими инструментами. Исследование завершилось заключительными положениями, в которых были обобщены основные выводы и предложен практический технологический регламент внедрения. По своей сути, исследование подчеркивает переход строительной отрасли к автоматизации и мониторингу в режиме реального времени, делая акцент на точности, ясности и безопасности. Благодаря четкому определению ролей и концентрации внимания на потенциальных опасностях подход сводит к минимуму недопонимание и обеспечивает приоритет благосостояния заинтересованных сторон. Обоснование новизны и важности полученных результатов Теоретическая значимость: Университеты и научно-исследовательские институты в качестве исходного материала могут использовать основные выводы и рекомендации данной диссертации в аналогичных исследованиях. Научная новизна обоснована использованием протокола связи LoRaWan для одновременной передачи данных измерений с маломощных встроенных датчиков на единую станцию, что позволяет осуществлять повсеместный мониторинг прочности бетона в монолитных конструкциях. Исследования в области применения датчиков в строительстве и геотехнике привлекли внимание многих ученых [1]. Эти исследования проливают свет на значительные достижения в области применения мобильных сетей в контексте землеройной и строительной техники. В новаторском исследовании [2] представлено инновационное определение распределенных вычислений и соответствующая сетевая модель, предлагающая комплексную основу для оптимизации энергопотребления в сенсорных сетях. В то же время в работе [3] подчеркивается критическое значение эффективной передачи данных и управления ими для обеспечения бесперебойной работы интеллектуальных информационных систем в этой области. В совокупности эти работы дают лучшее понимание применения мобильных сетей в сфере строительной и землеройной техники, обещая повысить эффективность и надежность работы. В своей публикации [4] авторы углубляются в разработку волоконно-оптической сенсорной системы на основе волоконных брэгговских решеток, которые получили мировое признание в области сенсорных технологий для мониторинга инженерных и строительных конструкций. В центре исследования - характеристики, деформационное поведение и температурная чувствительность волоконных брэгговских решеток в этой сенсорной системе, тщательно изученные с помощью компьютерного моделирования. Основной целью работы является анализ характеристик, деформации и температурного поведения волоконно-оптических брэгговских датчиков, которые используют наклонные решетки для измерения деформации объектов и обнаружения изменений температуры, что может иметь потенциальное значение для предотвращения пожаров и обеспечения безопасности. Примечательно, что авторы использовали имитационное моделирование в программном обеспечении MATLAB (Simulink) для продвижения своих исследований в этой области. Обслуживание и ремонт дорожной инфраструктуры имеют огромное значение для социально-экономического развития стран. В отличие от других гражданских сооружений, состав, температурная чувствительность и вязкоупругие свойства дорожных материалов создают уникальные проблемы для структурного анализа [5]. Данное исследование посвящено усовершенствованию волоконных датчиков на основе волоконных брэгговских решеток для повышения их точности при измерении деформации, напряжения, смещения и температуры. Новизна данного исследования заключается в модернизации волоконных датчиков на основе FBG для одновременного измерения деформации и температуры для мониторинга дорожного покрытия. В статье всесторонне рассматривается применение волоконно-оптических датчиков на основе волоконных брэгговских решеток для мониторинга дорожного покрытия, оценивается их синхронность, повторяемость и линейность. Полученные результаты убедительно демонстрируют значительный потенциал волоконно-оптических датчиков на основе FBG в повышении безопасности и устойчивости дорожного движения. В недавно опубликованной работе [6] авторы глубоко исследуют использование беспроводных мультимедийных сенсорных сетей для отслеживания объектов - технологии, широко применяемой в различных областях, включая здравоохранение, видеонаблюдение и управление дорожным движением. В приложениях наблюдения, где сенсорные узлы генерируют данные в реальном времени, отслеживая объекты, эти данные часто принимают форму больших данных, что требует хранения в базах данных NoSQL. В статье представлен новаторский подход к отслеживанию объектов для приложений наблюдения, включающий модель больших данных, основанную на графах и многоуровневом слиянии. Этот новаторский подход построен на трех ключевых этапах: слияние внутри узлов, слияние между узлами и построение траектории движения объекта. Авторы воплотили свои концепции в жизнь, реализовав прототип системы и проведя комплексную оценку ее производительности с использованием как реальных, так и синтетических наборов данных. Эти эксперименты подчеркивают поразительную эффективность слияния третьего уровня в сочетании с межузловым и внутриузловым слиянием в области отслеживания объектов в приложениях беспроводных мультимедийных сенсорных сетей. По сути, эти исследования в совокупности демонстрируют постоянную эволюцию и инновации в области сенсорных технологий. Они служат катализатором повышения безопасности, эффективности и общей производительности в широком спектре отраслей, что в конечном итоге приносит значительную пользу обществу в целом. В работе [7] представлена система волоконно-оптических датчиков, специально разработанная для мониторинга несущих конструкций зданий. Эта передовая система способна обнаруживать повреждения и выявлять зоны повышенного напряжения в железобетонных конструкциях, что позволяет своевременно принимать профилактические меры. Квазираспределенный подход к мониторингу повышает эффективность наблюдения за состоянием строительных конструкций в густонаселенных городских районах в режиме реального времени. Одновременно в статье [8] рассматриваются ограничения традиционного развертывания беспроводных сенсорных сетей, которые обычно сосредоточены на одной точке. Авторы представляют сложный алгоритм планирования распределенной агрегации данных, адаптированный к беспроводным сенсорным сетям с двумя поглотителями. Для дальнейшего повышения производительности сети предлагается новый распределенный алгоритм балансировки энергии для выравнивания энергопотребления между агрегаторами. Эти инновации способны повысить отказоустойчивость и продлить срок службы таких сетей. Кроме того, в статье [9] рассказывается о применении волоконной оптики для мониторинга состояния конструкций, причем особое внимание уделяется высотному зданию, расположенному в Астане, Казахстан. Используя распределенную волоконно-оптическую систему тензометрических датчиков, система непрерывно собирает данные о температуре и деформации. Эти бесценные данные помогают понять закономерности деформации и своевременно обнаружить трещины в бетонной конструкции здания. В исследовании [10] рассматриваются вопросы геотехнического мониторинга высотных зданий в Астане (Казахстан), особенно тех, которые опираются на свайные фундаменты для обеспечения целостности конструкции. Распределенная волоконно-оптическая система тензометрического зондирования помогает отслеживать деформации грунта и их потенциальное воздействие на близлежащие сооружения и инженерные системы. Данное исследование вносит значительный вклад в разработку надежных фундаментов для высотных зданий, особенно в сложных грунтовых условиях. В статье [11] рассматривается сложная задача управления теплом, выделяемым цементными материалами при массовом бетонировании. В ней представлено передовое решение в виде устройства smartrock2 - беспроводного датчика, продуманно размещаемого на арматуре для непрерывного отслеживания температурных колебаний. Бесценные данные, полученные с помощью этой технологии, играют ключевую роль в улучшении управления теплом при укладке бетона, что является решающим фактором в предотвращении трещин и обеспечении структурной целостности построенных объектов. В то же время статья [12] посвящена прогнозированию прочности железобетонных конструкций в раннем возрасте - важнейшему аспекту строительства. В ней на первый план выдвигаются методы неразрушающего контроля, в первую очередь распространение ультразвуковых волн и анализ зрелости бетона, для прогнозирования развития прочности на сжатие. Впечатляющее инновационное исследование представляет собой новую взаимосвязь между распространением волн, испытаниями на проникновение и температурой гидратации. Этот прорыв предлагает комплексный и экономически эффективный подход к прогнозированию прочности бетона на месте в раннем возрасте, отвечающий потребностям надежных и долговечных строительных проектов. Эти исследования в совокупности представляют собой важный шаг в постоянном стремлении к инновациям и совершенству в строительстве и геотехнике. В свете результатов, представленных в вышеупомянутых статьях, становится очевидным, что оптические системы, WiFi и Bluetooth не всегда являются оптимальными вариантами для мониторинга данных в различных сценариях. Исследования, обсуждаемые в этих статьях, подчеркивают конкретные проблемы и ограничения, связанные с этими технологиями. Оптические системы, такие как волоконно-оптические датчики, несомненно, обеспечивают высокую точность в некоторых приложениях, в частности для мониторинга состояния конструкций. Однако их эффективность может быть снижена в сложных геологических условиях или при мониторинге в реальном времени динамичных и быстро меняющихся условий, например, на строительных площадках. Несмотря на то что WiFi и Bluetooth широко используются для передачи данных в различных областях, они могут оказаться не самыми подходящими вариантами для некоторых критически важных приложений. В исследованиях подчеркивается важность эффективной передачи данных, особенно в сценариях, где данные генерируются в режиме реального времени и относятся к категории больших данных, как, например, в случае видеонаблюдения или геотехнического мониторинга. В таких ситуациях ограничения этих технологий беспроводной связи могут стать очевидными, потенциально влияя на надежность и скорость передачи данных. Подводя итог, можно сказать, что, хотя оптические системы, WiFi и Bluetooth имеют свои сильные стороны и широко распространены, необходимо учитывать конкретные требования и задачи конкретного сценария мониторинга. В зависимости от характера применения, альтернативные или дополнительные технологии могут оказаться более подходящими для обеспечения точного, своевременного и надежного мониторинга данных. Выбор технологии должен соответствовать уникальным требованиям и ограничениям поставленной задачи мониторинга. Именно поэтому использование протокола связи LoRaWAN в контексте повсеместного мониторинга прочности бетона в монолитных конструкциях обладает значительной научной новизной и имеет ряд обоснований, основанных на вышеизложенных выводах: 1. Эффективная передача данных: Протокол LoRaWAN известен своей дальнобойностью и низким энергопотреблением, что делает его хорошо подходящим для приложений, где эффективная передача данных имеет решающее значение. В сценариях, где данные о прочности бетона генерируются и передаются в режиме реального времени, например, при мониторинге прочности в раннем возрасте при массовом бетонировании, эффективность протокола LoRaWAN обеспечивает быструю и надежную передачу данных. 2. Преодоление ограничений WiFi и Bluetooth: В заключении подчеркиваются ограничения WiFi и Bluetooth в некоторых приложениях для мониторинга, особенно в тех, которые связаны с передачей данных в реальном времени и управлением большими массивами данных. LoRaWAN предоставляет альтернативу, которая преодолевает эти ограничения, предлагая надежный протокол связи для сценариев, в которых WiFi и Bluetooth могут быть не самыми лучшими вариантами. 3. Экономичность и масштабируемость: LoRaWAN экономически эффективна и хорошо масштабируется. При повсеместном мониторинге прочности бетона, когда множество встроенных датчиков развернуто по всей монолитной конструкции, масштабируемость LoRaWAN позволяет одновременно контролировать множество датчиков с минимальными затратами на инфраструктуру. Это особенно важно при реализации крупных строительных проектов. 4. Низкое энергопотребление: Встроенные датчики в бетонных конструкциях часто зависят от ограниченных источников питания. Благодаря низкому энергопотреблению LoRaWAN эти датчики могут работать в течение длительного времени без частой замены батарей, что снижает затраты на обслуживание и эксплуатацию. 5. Возможности большого радиуса действия: Монолитные конструкции могут быть огромными, и традиционные протоколы связи, такие как WiFi или Bluetooth, могут не обеспечивать достаточного покрытия. Дальнобойные возможности LoRaWAN позволяют датчикам поддерживать связь на значительных расстояниях, обеспечивая всестороннее покрытие внутри конструкции. 6. Надежный мониторинг: Мониторинг прочности бетона имеет решающее значение для обеспечения целостности и безопасности конструкций. Надежность LoRaWAN и способность передавать данные с маломощных датчиков на центральную станцию обеспечивают постоянный и точный мониторинг данных, способствуя повышению общей надежности и безопасности конструкции. Использование протокола связи LoRaWAN для повсеместного мониторинга прочности бетона представляет собой научно обоснованную новинку. Он позволяет устранить ограничения других коммуникационных технологий, обеспечивает экономичность, масштабируемость и эффективную передачу данных, что является важнейшим фактором обеспечения успешности и безопасности строительных проектов, связанных с монолитными конструкциями. Практическая значимость: заключается в возможности использования материалов исследования для практической деятельности по испытанию и применению железобетонных конструкции в Казахстане. Использование бетонных датчиков в строительстве и инженерии имеет ряд ключевых преимуществ: 1. Мониторинг в реальном времени: Датчики бетона выступают в роли своеобразного "монитора безопасности" для бетона, предоставляя непрерывные данные в режиме реального времени о таких параметрах, как температура. Эти данные позволяют подрядчикам тщательно отслеживать состояние бетона на протяжении всего процесса строительства. 2. Эффективность и скорость: данные, собранные с помощью датчиков бетона, могут быть использованы для оптимизации графиков и процессов строительства. Например, подрядчики могут ускорить распалубку, проанализировав расчеты зрелости и прочности бетона. Это может привести к экономии времени до 20 %. 3. Обеспечение качества: Датчики бетона помогают обеспечить качество бетона, измеряя температуру в разных местах и контролируя перепады температур. Это, в свою очередь, помогает оптимизировать графики и сохранить тепловую целостность бетона. 4. Принятие решений на основе данных: Подрядчики могут использовать данные датчиков для принятия обоснованных и точных решений. Машинное обучение и искусственный интеллект все чаще используются для анализа данных датчиков, помогая обнаружить аномалии, закономерности и предсказать конкретное поведение. 5. Снижение воздействия на окружающую среду: Датчики бетона вносят свой вклад в усилия по обеспечению экологической устойчивости, позволяя более эффективно использовать ресурсы и снижая углеродный след бетонного строительства. Данные могут помочь оптимизировать использование материалов и процессов. 6. Автоматизация и предиктивная аналитика: Данные, собранные датчиками, в сочетании с алгоритмами искусственного интеллекта позволяют автоматизировать процессы и прогнозировать прочность бетона. Это может привести к экономии средств и оптимизации процессов, сделав стройплощадки более безопасными и эффективными. 7. Гибкость применения: Датчики бетона находят применение в различных строительных проектах, от возведения перекрытий и гражданских объектов до строительства дорог. Гибкость в контроле температуры и прочности делает их ценными в широком диапазоне строительных сценариев. 8. Анализ данных и отчетность: Датчики бетона интегрированы с программными приложениями, которые анализируют данные и предоставляют информацию. Они также могут генерировать отчеты и предоставлять уведомления, упрощая процесс принятия решений на основе данных. 9. Малый форм-фактор: Несмотря на свои передовые возможности, датчики для бетона имеют относительно небольшие размеры, что позволяет легко интегрировать их в строительные проекты, не оказывая существенного влияния на дизайн и эстетику сооружения. 10. Эволюция и прогресс: Область датчиков для бетона постоянно развивается, появляются новые типы технологий, улучшается аналитика и совершенствуются методы сбора данных. Текущие исследования направлены на дальнейшее повышение точности и предсказуемости поведения бетона. Датчики бетона - это значительное технологическое достижение в строительстве, предлагающее ряд преимуществ, включая эффективность, контроль качества, экологическую устойчивость и возможности автоматизации, которые в ближайшие годы изменят строительную отрасль. Соответствие направлениям развития науки или государственным программам Бетон, основополагающий строительный элемент в строительной индустрии, широко распространен в строительстве и является основой многочисленных архитектурных проектов. Его распространенность обусловлена его универсальностью и устойчивостью - качествами, которые являются ключевыми для материала, формирующего наш физический мир. Однако путь бетона от податливой формы до затвердевшего состояния - процесс, известный как затвердевание, - чреват потенциальной изменчивостью. Эта изменчивость - не просто вопрос несоответствия; это сложный комплекс внутренних химических процессов и внешних условий окружающей среды, которые могут значительно повлиять на качество конечного продукта. В процессе затвердевания заложенный в бетон потенциал прочности и долговечности либо реализуется, либо сводится на нет. При затвердевании бетона происходит химическая реакция, известная как гидратация, в ходе которой вода взаимодействует с цементом, образуя камнеподобное вещество. Но это превращение чувствительно к условиям, в которых оно происходит. Колебания температуры, уровень влажности, наличие загрязнений, состав бетонной смеси и даже продолжительность твердения - все это может повлиять на результат. Колебания этих факторов могут привести к широкому спектру проблем, от поверхностного растрескивания до глубоких структурных недостатков, которые могут проявиться спустя годы после строительства. Появление сенсорных технологий ознаменовало собой новую эру в мониторинге бетона, позволяя получить беспрецедентное представление о процессе его затвердевания. Эти датчики, встроенные в сам бетон, служат бдительными часовыми, регистрируя данные о температуре, влажности, деформации и даже химических изменениях в режиме реального времени. На основе этих данных инженеры и строители могут составить подробную картину процесса созревания бетона, выявить любые отклонения от ожидаемого пути и понять сложный процесс взаимодействия внутренних реакций и внешних условий. Такой мониторинг в режиме реального времени не просто представляет академический интерес; он имеет практическую, непосредственную пользу. Благодаря точным данным можно с уверенностью принимать решения о том, когда снимать опалубку, прилагать нагрузку или выполнять процедуры последующей обработки, минимизируя риск преждевременного разрушения и оптимизируя характеристики материала. Эти знания позволяют специалистам подбирать условия твердения в соответствии с конкретными требованиями каждого проекта, обеспечивая полное раскрытие потенциала прочности и долговечности бетона. Кроме того, последствия такого мониторинга выходят за рамки этапа строительства. Обслуживание бетонных конструкций в течение всего срока службы представляет собой серьезную проблему, поскольку ремонт и укрепление часто обходятся дороже, чем первоначальное строительство. Раннее обнаружение потенциальных проблем с помощью данных датчиков может привести к упреждающему обслуживанию, предотвращая перерастание мелких проблем в серьезные разрушения конструкции. В нашу эпоху интеллектуальных технологий и принятия решений на основе данных актуальность исследований в области сенсорной оценки качества бетона трудно переоценить. Это критически важный компонент в постоянном стремлении к совершенствованию строительных методик, повышению безопасности конструкций и достижению устойчивости построенной среды. Поскольку мы продолжаем расширять границы архитектурных возможностей, понимание фундаментальных свойств таких материалов, как бетон, имеет первостепенное значение. Сенсорные технологии представляют собой важнейший инструмент в этом деле, обеспечивая понимание, необходимое для использования всего потенциала бетона, гарантируя его роль как надежного и прочного материала для будущих поколений.
Отзыв зарубежного консультанта
Заключение комиссии по этической оценке исследований
Решение диссертационного совета
Защита диссертации: https://www.youtube.com/watch?v=Pa8DxB9mNTU
