СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТЕПЕНИ ЖИВУЧЕСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
METHOD TO TEST AND DETERMINE EXTENT OF ROBUSTNESS OF BUILDING STRUCTURES

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при испытании элементов или конструкций зданий и сооружений с определением степени живучести при сверхнормативных повышенных статических и ударных нагрузках, а также при экспертизе строительных конструкций.
Известен способ динамических испытаний зданий и сооружений (патент RU №2011174 G01M 7/00, опубл. 15.04.1994 г.), заключающийся в том, что производится возбуждение колебания испытуемого объекта на собственных частотах воздействием на него последовательности ударных импульсов, генерируемых путем подрыва групп зарядов взрывчатых веществ, устанавливаемых на разных уровнях. С помощью устанавливаемых на разных уровнях объекта датчиков регистрируют его отклик и по измеренным параметрам колебаний судят о динамических характеристиках объекта. Возбуждающие импульсы прикладывают к одной или противоположным стенам с помощью размещенных на них групп ударников, на которые нанесены заряды взрывчатых веществ. Датчики отклика устанавливают на противоположной от соответствующей группы ударников стене, при этом интервалы времени между импульсами задают в соответствии с фактическими периодами собственных колебаний объекта, используя для подрыва каждой последующей группы зарядов сигнал датчика отклика.
Применение способа позволяет определять сейсмостойкость натурных зданий и промышленных сооружений, а также оценивать качество строительных работ на возводимых объектах непосредственно на строительных площадках. Недостатком известного способа является то, что способ не может быть применен для определения степени живучести строительной конструкции при действии сверхнормативной ударной испытательной нагрузки.
Прототипом заявляемого изобретения является способ испытания конструкции на ударные воздействия (патент RU №2362136, G01M 7/08, опубл. 20.07.2009 г.), согласно которому предварительно определяют резонансным методом низшую собственную частоту колебаний конструкции, после чего, не меняя положения испытуемой конструкции, производят разрушающий удар, полученные данные обрабатывают и фильтруют высшие гармоники собственных колебаний, соответствующие гармоникам в момент разрушения конструкции, от низшей гармоники, частота которой соответствует измеренной низшей собственной частоте колебаний конструкции. По полученным данным судят о реальных значениях динамических параметров.
Достоинством способа является повышенная точность измерения динамических параметров конструкции в процессе ее разрушения. Но, хотя способ по прототипу и позволяет проводить испытания на действие сверхнормативной ударной испытательной нагрузки, определить степень живучести строительной конструкции при действии сверхнормативной ударной испытательной нагрузки по этому известному способу не представляется возможным.
Задачей заявляемого изобретения является определение степени живучести строительных конструкций при действии сверхнормативной ударной испытательной нагрузки.
Технический результат заключается в определении степени живучести с учетом точного измерения динамической нагрузки в момент разрушения строительной конструкции, остаточного ресурса и деформаций строительной конструкции в процессе испытаний.
Технический результат, позволяющий решить поставленную задачу, достигается следующим образом. Как и по способу, принятому за прототип, согласно заявленному способу сначала резонансным методом определяют низшую собственную частоту колебаний конструкции, затем, не меняя положения испытуемой конструкции, конструкцию подвергают сверхнормативному ударному воздействию. Полученные данные обрабатывают с помощью измерительно-вычислительного комплекса и фильтруют высшие гармоники собственных колебаний, соответствующие гармоникам в момент разрушения конструкции, от низшей гармоники, частота которой соответствует измеренной низшей собственной частоте колебаний конструкции. О реальных значениях динамических параметров судят по данным, полученным после фильтрации высших гармоник.
s
d
В отличие от прототипа после динамического нагружения испытуемую конструкцию дополнительно подвергают пошаговому статическому нагружению до полного ее разрушения и определяют величину остаточной несущей способности q конструкции по разности значения реальной динамической нагрузки q в момент разрушения конструкции и значения приложенной максимальной статической нагрузки. Отличием является также то, что дополнительно, например, с помощью лазерной рулетки, производят измерения длин строительной конструкции до и после каждого вида нагружения и определяют величины относительных деформаций по формулам:
и , где
d
ε - относительная динамическая деформация испытуемой конструкции;
d
ΔL - величина, на которую изменилась длина испытуемой конструкции после динамического нагружения;
1
L - длина испытуемой строительной конструкции до испытаний;
s
ε - относительная статическая деформация испытуемой конструкции;
s
ΔL - величина, на которую изменилась длина испытуемой конструкции после статического нагружения;
2
L - длина испытуемой строительной конструкции до статического нагружения;
а коэффициент степени живучести k испытуемой конструкции определяют по формуле:
, где
s
ε - относительная статическая деформация испытуемой конструкции;
s
q - величина остаточной несущей способности строительной конструкции после испытания;
d
ε - относительная динамическая деформация испытуемой конструкции;
d
q - значение максимальной динамической нагрузки в момент разрушения строительной конструкции при ударном воздействии.
d
s
d
s
d
d
d
d
d
s
s
s
s
s
s
s
Формула по вычислению коэффициента степени живучести k испытуемой конструкции в первом приближении может быть получена при принятии следующих допущений. Полное значение работы по динамическому разрушению строительной конструкции А может быть определено через сумму значений работ по динамическому разрушению A и последующему статическому разрушению A: А=A+A. С другой стороны полное значение работы А по динамическому разрушению строительной конструкции с учетом коэффициента степени живучести k испытуемой конструкции может быть определено через значение работы по динамическому разрушению A: А=k·A. Работа по динамическому разрушению A конструкции может быть определена через значение динамических деформаций конструкции ε и среднее значение максимальной динамической нагрузки в момент разрушения строительной конструкции при ударном воздействии q, которое для формы импульса силы, близкой к полусинусоиде, может быть учтено коэффициентом  и тогда значение работы по динамическому разрушению конструкции имеет вид: . Работа по статическому разрушению A может быть определена: A=ε·q, где A - значение совершенной работы по статическому разрушению строительной конструкции; ε - относительная статическая деформация испытуемой конструкции; q - величина остаточной несущей способности строительной конструкции после испытания. После преобразований можно определить коэффициент степени живучести k испытуемой конструкции по формуле: .
Во-первых, следует отметить, что при проектировании изгибаемых и сжатых железобетонных конструкций, работающих при статическом нагружении, в расчет закладывается система коэффициентов надежности работы конструкции: коэффициент надежности по нагрузке; коэффициент надежности по материалам (бетона и арматуры); коэффициент надежности по назначению здания; коэффициент надежности по условиям работы бетона; коэффициент надежности по условиям работы арматуры и другие.
Установлено, что действительная работа конструкции до своего разрушения не проявляется в существующих зданиях и сооружениях, т.к. критическая нагрузка разрушения конструкции, полученная в результате расчетов, в среднем меньше на 50…60% по сравнению с реальной разрушающей нагрузкой. Данные ограничения по критической нагрузке закреплены в строительных нормах и правилах и являются нормативной базой для проектировщика.
Во-вторых, известно, что в последние годы все чаще возникает необходимость проектирования железобетонных конструкций, подвергающихся воздействию интенсивных кратковременных динамических нагрузок. Опасность действия на сооружения ударных волн возрастает вследствие взрывов обычных взрывчатых веществ при их хранении, транспортировке и т.д. Возникающие при этом специфические нагрузки часто вызывают значительные повреждения конструкций, и даже их полное или частичное разрушение, которое может привести к травмам и гибели людей. В связи с этим, при проектировании и расчете несущих железобетонных конструкций, учет возможности воздействия на них кратковременных динамических нагрузок с определением остаточного ресурса строительной конструкции в настоящее время является актуальным и необходимым.
Из литературных источников (например: Ставров Г.Н., Катаев В.А. О механизме деформирования и упрочнения бетона при одноосном динамическом нагружении Известия вузов. Сер. Стр-во и архитектура. - 1990., №10. 3-6 с.) известно, что при кратковременном динамическом нагружении несущая способность строительных конструкций выше, чем при статическом нагружении, что объясняется изменением физико-механических характеристик бетона и арматуры по сравнению со статическим нагружением. При кратковременном динамическом нагружении происходит неравномерное развитие и определенное запаздывание деформаций по сравнению с результатами статических испытаний. Неравномерность развития продольных и запаздывания, по сравнению с ними, развития поперечных деформаций бетона и арматуры создает эффект динамической обоймы, вызывая сложное напряженное состояние, что соответствует механизму упрочнения бетона первого рода при динамическом нагружении. Упрочнение второго рода связано с запаздыванием продольных и поперечных деформаций, вызванных тем, что не вся внешняя потенциальная энергия мгновенно переходит в потенциальную энергию деформирования бетона и арматуры.
Однако достоверно оценить степень живучести строительной конструкции только расчетными методами с высокой степенью точности не представляется возможным. Применение статических испытаний позволяет получить полную информацию о разрушении строительной конструкции, но не позволяет учесть степень динамического упрочнения строительной конструкции. Применение динамических испытаний позволяет проверить несущую способность строительной конструкции на расчетное заданное сверхнормативное ударное воздействие, но не позволяет учесть остаточный ресурс строительной конструкции.
Применение заявляемого способа по сравнению со способом прототипа позволяет достоверно определить коэффициент k степени живучести испытанной строительной конструкции на расчетное сверхнормативное ударное воздействие с расчетными заданными величинами времени и силы ударного воздействия и реальными конструктивными параметрами строительной конструкции с учетом остаточного ресурса.
Указанная совокупность технических признаков, характеризующая заявленный способ, получена впервые и в известных технических решениях не обнаружена, что подтверждает новизну изобретения. Изобретение соответствует условию изобретательского уровня, поскольку явным образом предложенное техническое решение не следует из уровня техники. Не выявлены из уровня техники решения, которые имеют признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного способа.
Изобретение промышленно применимо, поскольку его можно многократно использовать при испытании строительных элементов или конструкций зданий, сооружений, при экспертизе элементов железобетонных конструкций с определением степени живучести элементов или конструкций при сверхнормативных повышенных ударных нагрузках с достижением указанного технического результата.
В качестве примера применения предложенного способа рассмотрено испытание железобетонного элемента со стыком длиной 1000 мм на кратковременное сверхнормативное динамическое сжатие с последующим статическим разрушением.
На фиг.1 изображен стенд для испытания железобетонного элемента со стыком на сверхнормативное кратковременное динамическое сжатие (фото).
На фиг.2 изображен график изменения динамической нагрузки во времени в процессе кратковременного сверхнормативного динамического сжатия железобетонного элемента со стыком после фильтрации высших гармоник.
На фиг.3 изображен железобетонный элемент со стыком после сверхнормативного кратковременного динамического сжатия (фото).
На фиг.4 изображен железобетонный элемент со стыком при статическом разрушающем сжатии на гидравлическом прессе (фото).
На фиг.5 изображен железобетонный элемент со стыком после разрушающего статического сжатия (фото).
Способ выполняют следующим образом.
Сначала, как и в прототипе, определяют собственную низшую частоту колебаний испытуемой конструкции резонансным методом, например, изложенным в: Джонс Р., Фэкэоару И. Неразрушающие методы испытания бетонов. Пер. с румынск. М.: Стройиздат, 1974, 292 с. Строительную конструкцию (в данном случае рассмотрен сжатый железобетонный фрагмент колонны со стыком) испытывают при кратковременном сверхнормативном динамическом нагружении, например, на стенде (патент RU №2401424 G01N 3/30 (2006.01), опубл. 10.10.2010 г.), содержащем установленные на опорном основании вертикальные направляющие, на которых с возможностью вертикального возвратно-поступательного перемещения закреплена траверса с грузом, и узел крепления нижнего конца испытываемого образца (фиг.1).
d
d
При кратковременном динамическом испытании с помощью силоизмерителя измеряется величина динамической нагрузки. При помощи прогибомеров, установленных с двух сторон образца, определяется величина относительной динамической деформации испытуемой конструкции , где ΔL - величина динамической деформации испытываемого образца длиной L1. Процесс динамического нагружения в процессе испытания регистрируется компьютерными измерительными системами. Для определения реальной динамической нагрузки в момент разрушения фильтруют высшие гармоники собственных колебаний от низшей собственной частоты колебаний, полученной до испытаний. График изменения динамической нагрузки во времени после фильтрации высших гармоник представлен на фиг.2. На графике показан максимум динамической нагрузки, равный q=252 кН=25.2 Тс. При обработке экспериментальных исследований фиксируется схема трещинообразования и разрушения образца - фиг.3, из которой видно, что образец в результате испытания разрушился, но не потерял своей устойчивости.
s
На втором этапе производится статическое испытание образца на гидравлическом прессе - фиг.4. В ходе испытания нагрузка подается ступенчато по 0.5 Тс на этапе до момента отказа конструкции, то есть до момента потери устойчивости образцом, способности сопротивляться действующей нагрузке. При статическом испытании образец выдержал 20.5 Тс до полного разрушения. Определяют величину относительной статической деформации испытуемой конструкции , где ΔL - величина статической деформации испытываемого образца длиной L2, например, с помощью лазерной рулетки измеряя образец до и после статического разрушающего нагружения. На фиг.5 показана схема разрушения железобетонного образца со стыком после статического испытания. На схеме видно, что в месте стыка железобетонного образца полностью разрушен бетон и наблюдается выпучивание рабочей арматуры из плоскости, что свидетельствует о полном разрушении образца и исчерпании остаточной несущей способности.
Далее производят вычисление коэффициента степени живучести образца строительной конструкции для измеренных параметров строительной конструкции в процессе динамического и статического испытаний:
d
d
q=25.2 Тс; ΔL=3.3 мм; L1=1000 мм;
;
s
s
q=20,5 Tc; ΔL=1.5 мм; L2=996.7 мм;
;
Полученное значение коэффициента степени живучести k=2.22 испытуемой конструкции показывает, во сколько раз приложенное значение динамической нагрузки в процессе динамического нагружения меньше полной несущей способности строительной конструкции, определенной экспериментально по ее полному разрушению. Изменяя конструктивные параметры строительной конструкции в большую или меньшую сторону, предложенный способ испытания позволяет точно и достоверно получить заданное значение коэффициента степени живучести строительной конструкций для заданного значения сверхнормативной ударной испытательной нагрузки.