СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
METHOD TO DETERMINE ULTIMATE LIMIT STATE OF BUILDING STRUCTURES

Изобретение относится к контролю состояния строительных конструкций из бетона и железобетона и может быть использовано для мониторинга состояния зданий и сооружений.
Известен способ определения наступления предельного состояния конструкций, состоящий в том, что о наступлении предельного состояния судят по различными признакам - разрушением сжатой зоны бетона, текучестью арматуры, значительной шириной раскрытия трещин в бетоне конструкции /1/.
Недостатком данного способа является то, что конструкция или здание может потерять устойчивость и разрушиться при достижении одного из этих признаков.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ, включающий установку на конструкции датчиков акустической эмиссии (АЭ), регистрацию через равные промежутки времени потока параметров сигналов АЭ при локальном разрушении бетона, вычисление по данным акустико-эмиссионным измерениям и параметрам разрушения прочности конструкции /2/.
Недостатком данного способа является то, что прочность определяется для сравнительно небольшого участка конструкции и установить наступление предельного состояния конструкции или всего здания невозможно.
Техническая задача - возможность анализировать накопление повреждений в процессе эксплуатации конструкции с использованием информативных параметров акустической эмиссии, заранее определять наступление предельного состояния конструкции.
аэ
аэ
аэ
аэ
н
н
Поставленная задача решается таким образом, что в способе определения предельного состояния строительных конструкций, включающем установку на конструкцию датчиков акустической эмиссии, регистрацию потока параметров сигналов акустической эмиссии и оценку состояния конструкции, согласно изобретению, из регистрируемого потока параметров сигналов акустической эмиссии формируют выборки, по которым определяют основные статистические характеристики Р, вычисляют нормируемую энтропию S , по численным значениям функции F=(Р, S ) строят линейную зависимость, при изменении угла наклона которой на 90° и более судят о наступлении предельного состояния конструкции.
аэ
аэ
аэ
аэ
н
н
Предлагаемый способ отличается от известного тем, что из регистрируемого потока параметров АЭ формируют выборки, по выборкам определяют основные статистические характеристики Р, параметров сигналов АЭ, вычисляют нормируемую энтропию S , по численным значениям функции F=(Р, S ) строят линейную зависимость, при изменении угла наклона линейной зависимости на 90° и более судят о времени наступления предельного состояния.
Предлагаемый метод обработки данных акустической эмиссии позволит в процессе мониторинга производить оперативный контроль и анализ в режиме реального времени изменения состояния конструкции в процессе ее эксплуатации и определение ее предельного состояния.
Способ поясняется чертежами, где на фиг.1 показана диагностическая диаграмма, фиг.2 - схема размещения датчиков АЭ и измерительных приборов.
Способ осуществляют следующим образом.
Железобетонная балка 1 армировалась двумя предварительно напряженными арматурными стержнями. Балка изготавливалась из напрягающего бетона класса по прочности на сжатие В45. Арматурные стержни располагались в нижней части балки. В качестве рабочей арматуры использовалась предварительно напряженная арматура класса A-V диаметром 16 мм. Усилие натяжения арматуры с учетом всех потерь составило 100 МПа.
На боковой поверхности строительной конструкции - балки при помощи воско-канифольного кампауда крепились датчики АЭ 2. Акустический контакт между датчиком АЭ и бетоном осуществлялся при помощи контактной смазки. Нагрузку к балкам прикладывали при помощи гидравлического домкрата и ручной насосной станции. Нагрузку от домкрата через жесткую распределительную траверсу 3 прикладывали к балке сосредоточенно в двух точках. Балки шарнирно опирались на две опоры. Режим приложения нагрузок был принят ступенчатым. Величина ступени нагружения составляла 10-15% от разрушающей нагрузки Р. Образец доводили до разрушения.
На каждой ступени нагружения через равные промежутки времени производили акустико-эмиссионные измерения. Акустико-эмиссионные измерения выполняли с использованием 8-и канальной цифровой акустико-эмиссионной системы A-Line 32D фирмы «ИНТЕРЮНИС». Последовательность регистрируемых сигналов АЭ, приходящих по каждому каналу, дробилась на выборки. Длина выборки назначается или по заданному количеству сигналов АЭ (N) или по назначенному временному интервалу (Dt), в течение которого регистрировались сигналы АЭ.
Анализ полученных АЭ измерений показал, что накопление повреждений в процессе испытания балки и определение ее предельного состояния целесообразно производить по следующей зависимости (1):
mod
A
A
н
н
Данная функция представляет собой двухпараметрическую зависимость моды амплитудного распределения в выборке (A) от относительной энтропии этого распределения (S ). Мода представляет собой наиболее часто встречающееся значение амплитуд (А) в выборке. Относительная энтропия амплитудного распределения (S ) представляет собой функцию, численные значения которой находятся в пределах [0…1], и характеризует степень хаотичности случайного процесса в рассматриваемой выборке.
A
н
Для вычисления относительной энтропии амплитудного распределения (S ) производится нормирование значений амплитудного распределения сигналов АЭ (А) в выборке по формуле (2)
По формуле (3) с учетом значений, полученных по формуле (2), определяем относительную энтропию выборки.
i
где у - нормированное значение амплитуды сигнала АЭ.
На диаграмме (фиг.1), построенной по результатам испытания балки, численные значения функции (1) располагались в зоне I, в зоне II и в зоне III. Зона I характерна для большинства этапов нагружения балки. Образование нормальных или наклонных силовых трещин с шириной раскрытия до 0,3…0,5 мм, увеличение прогиба балки существенно не видоизменяет характер расположения численных значений функции (1) в зоне I. Перед разрушением (уровень напряжений в балке s/R=0.94-0.95) появляется зона II. На этом этапе в конструкции появляются магистральные трещины, деформации балки нелинейно растут. Зона III соответствует предразрушающему состоянию, когда конструкция еще не разрушилась, но происходит дальнейший рост магистральных трещин, ширина раскрытия трещин превышает 0.5 мм, разрушается сжатая зона бетона, происходят дальнейшие деформации балки. Последовательный переход от зоны I к зоне II и затем к зоне III характеризуется изменением угла наклона прямой линейной зависимости вида (4), при помощи которой происходит аппроксимация численных значений функции (1).
Коэффициент наклона прямой «В» линейной зависимости (4) меняет свои численные значения от положительных значений (зона I) на отрицательные (зона II и зона III), при этом угол наклона линейной зависимости меняется на 90° и более по сравнению с зоной I.
О наступлении предельного состояния конструкции судят по изменению угла наклона линейной зависимости на 90° и более. Дальнейшая эксплуатация конструкции при данном уровне нагружения приведет к ее разрушению.
Источники информации
1. ГОСТ 8829-94. Изделия строительные железобетонные и бетонные заводского изготовления. Методы испытаний нагружением. Правила оценки прочности, жесткости и трещиностойкости, Москва, 1994 г.
2. Патент РФ №2186385, кл. G01N 33/28, БИ №21, 27.07.2002 (прототип).