СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ОДНОПРОЛЕТНЫХ ПРОГОНОВ
METHOD FOR NON-DESTRUCTIVE TESTING OF THE BEARING CAPACITY OF SINGLE-SPAN BEARERS

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при оценке категории технического состояния стальных прогонов при проведении обследования зданий и сооружений. Изобретение позволят дать комплексную оценку дополнительной допустимой нагрузки (несущей способности) на существующий прогон.
Известен способ неразрушающего контроля несущей способности конструкций, заключающийся в том, что в испытуемой конструкции выявляются места с возможными максимальными деформациями (угловыми или линейными перемещениями), в этих местах конструкцию нагружают механической нагрузкой, не превышающей предельного значения, вычисленного теоретически, прикладывают нагрузку постоянной величины в одном и том же месте 5-10 раз, определяют значения деформаций и находят доверительный интервал этих значений. Затем строят график зависимости между нагрузкой и перемещением по двум точкам (в начале координат и в точке с координатами значения экспериментальной нагрузки, значение перемещения от этой нагрузки). Затем через точки доверительного интервала проводят прямые – доверительные границы, параллельно прямой зависимости нагрузки от перемещения, а по графику находят предельную нагрузку (RU №2006814, МПК 5G01N 3/00, опубл. 30.01.1994).
Недостатком этого способа является малая точность и низкая достоверность результатов контроля, вызванная тем, что доверительные границы проводят по одной испытательной точке доверительного интервала параллельно прямой зависимости нагрузки от перемещения.
Известен способ неразрушающего контроля несущей способности однопролетных железобетонных балок, заключающийся в том, что на контролируемой железобетонной балке определяют места с наибольшими деформациями от эксплуатационной нагрузки и в этих местах устанавливают измерители деформаций. Затем нагружают железобетонную балку пробной нагрузкой. Определяют величину относительной деформации по отдельности для бетона и для арматуры железобетонной балки. Для каждой ступени пробной нагрузки определяют среднее значение относительной деформации по отдельности для бетона и для арматуры железобетонной балки, а также для каждой ступени пробной нагрузки по отдельности для бетона и для стальной арматуры железобетонной балки рассчитывают среднеквадратичные отклонения относительной деформации. Используя априорную информацию, находят среднее значение предельной относительной деформации по отдельности для бетона и для арматуры железобетонной балки. Определяют верхнее значение предельной нагрузки и нижнее значение предельной нагрузки по отдельности для бетона и для арматуры железобетонной балки. Предельную несущую способность железобетонной балки определяют по наименьшей паре полученных для бетона и для арматуры железобетонной балки значений предельных нагрузок. Затем по значениям предельной несущей способности железобетонной балки теоретически рассчитывают значения наибольших изгибающих моментов, воздействию которых может подвергаться железобетонная балка. Находят теоретическую зависимость изгибающего момента от величины нагрузки, действующей на железобетонную балку. Из равенств моментов находят верхнее значение предельной нагрузки на железобетонную балку и нижнее значение предельной нагрузки на железобетонную балку (RU №2579545, МПК G01N 3/32, опубл. 10.04.2016).
Недостатком данного изобретения является низкая достоверность результатов оценки несущей способности, вследствие использования одного критерия предельного состояния – прочности, без учета жесткости и устойчивости.
Наиболее близким изобретением является способ неразрушающего контроля несущей способности строительных конструкций, согласно которому определяют места возможных максимальных линейных или угловых перемещений, в этих местах конструкцию нагружают испытательной механической нагрузкой, не превышающей предельного ее значения по прочности и жесткости конструкции и определяют значения максимальных перемещений, при этом нагружение конструкции выполняют в одном и том же месте 5 - 10 раз постоянной по значению механической нагрузкой; нагружение осуществляют не менее чем при трех различных ступенях нагрузки, по результатам трех средних значений перемещений и соответствующим нагрузкам строят прямую зависимости нагрузки от перемещения, определяют не менее трех доверительных интервалов измерений перемещений, по точкам которых строят доверительные границы измеряемых перемещений, а прочность конструкции определяют с учетом средних значений перемещений при линейной зависимости между нагрузкой и перемещением (RU №2161788, МПК G01N 3/10, опубл. 10.01.2001).
Недостатками данного изобретения являются низкая точность и достоверность оценки несущей способности вследствие использования только одного критерия ограничения несущей способности – максимального нормативного перемещения, в то время как элемент может потерять устойчивость или получить недопустимые напряжения до наступления максимального нормативного перемещения (прогиба); использование линейных функций для построения зависимости нагрузки от перемещения ограничивает спектр возможных применений изобретения и завышает оценку несущей способности.
Техническим результатом, на который направлено данное изобретение, является повышение точности и достоверности оценки несущей способности однопролетных прогонов в составе зданий и сооружений.
Технический результат достигается тем, что после установки измерителей прогибов в середине пролета балки и нагружения прогона ступенями испытательной нагрузки, для полученных экспериментально-теоретических точек подбираются нелинейные аппроксимирующие функции, используя метод наименьших квадратов. В выявленные функции подставляются предельные значения прогибов, установленные по нескольким критериям предельных состояний, что позволяет учесть, какое предельное состояние наступит первым, и дает возможность оценить несущую способность более точно и достоверно.
Изобретение поясняется графически (фиг. 1, 2):
1
2
3
4
5
На фиг. 1 представлен условный вид подобранных нелинейных функций  и ; ступени экспериментальных нагрузок F, F, F, F и Fи соответствующие им значения средних прогибов , , , ,  и максимальных прогибов , , , , , а также предельные значения прогибов по различным критериям предельных состояний: по критерию прочности , по критерию жесткости , по критерию устойчивости , и соответствующие интервальные значения предельных нагрузок  и ,  и ,  и , характеризующие несущую способность элемента при расчетной ситуации, когда предельное напряжение в материале прогона характеризуется расчетным сопротивлением R, и устанавливается по нормативной или проектной документации.
1
2
3
4
5
На фиг. 2. представлен условный вид подобранных нелинейных функций  и ; ступени экспериментальных нагрузок F, F, F, F и Fи соответствующие им значения средних прогибов , , , ,  и максимальных прогибов , , , , , а также предельные значения прогибов по различным критериям предельных состояний: по критерию прочности  и , по критерию жесткости , по критерию устойчивости  и , и соответствующие интервальные значения предельных нагрузок  и ,  и ,  и , характеризующие несущую способность элемента, при расчетной ситуации, когда предельное напряжение в материале прогона определяется по результатам отбора контрольных образцов.
0
1
2
3
4
5
i
i
i+1
i
i
i
i
Способ заключается в следующем: испытания проводят при отсутствии снеговой нагрузки; выявляют сечение прогона с максимальным прогибом f  от эксплуатационной нагрузки (как правило, середину пролета прогона), где устанавливают измеритель прогибов, например, индикатор часового типа. В данном сечении прогона прикладывают испытательную сосредоточенную нагрузку: испытательная нагрузка прикладывается 5 последовательными ступенями – по 10% (F), 20% (F), 30% (F), 40% (F) и 50% (F) от предельно допустимой нагрузки на прогон , вычисленной теоретически. Каждая ступень испытательной нагрузки выдерживается до стабилизации значений прогибов, после чего фиксируется значение прогиба f, i=1, 2, … 5, при данной ступени испытательной нагрузки F и прикладывается следующая ступень испытательной нагрузки F. После выдержки пятой ступени нагрузки, испытательная нагрузка снимается, и испытания повторяются, после стабилизации прогибов. Затем на графике F-f откладывают экспериментальные точки – (F; ) и (F; ), где  - среднее значение прогиба при нагрузке F;  - среднеквадратическое отклонение прогиба при нагрузке F;  - квантиль Стьюдента с доверительной вероятностью . Затем подбирают нелинейные функции  по точкам  и  по точкам  с учетом точки (0; ), используя метод наименьших квадратов. После чего устанавливают предельные значения прогибов по различным критериям предельных состояний: по критерию прочности , по критерию жесткости , по критерию устойчивости , где R – предельное допустимое напряжение в материале прогона, которое устанавливают по нормативной или проектной документации; W – момент сопротивления сечения прогона; l – длина пролета прогона; E – модуль упругости материала прогона; J – момент инерции сечения прогона,  – коэффициент устойчивости прогона при изгибе; , при ; , при , , при , , при .
Предельная сосредоточенная нагрузка по каждому критерию предельного состояния определяется графически или вычисляется аналитически из уравнений:  и ,  и ,  и . В качестве оценки несущей способности принимается наименьший по нижнему значению интервал предельной сосредоточенной нагрузки. После чего выявляют интервал предельной равномерно распределенной нагрузки  на прогон через равенство изгибающих моментов от разных видов нагрузок . Например, при шарнирном закреплении прогона: .
3
4
Пример реализации. Пусть определяется несущая способность стального прогона двутаврого профиля №20 с характеристиками сечения: W=184,4 см; I=1844 см. Пролет прогона l=6 м. Сталь прогона характеризуется расчетным сопротивлением R=240 МПа и модулем упругости E=200000 МПа. Коэффициент устойчивости прогона при изгибе принят .
1
2
3
4
5
Текущее значение прогиба прогон составляет  мм. Вычислим предельные значения прогибов:  мм,  мм,  мм. Предельная теоретическая нагрузка на прогон составляет  Н. Прогон нагружается следующими ступенями испытательной нагрузки: F=2000 Н, F=4000 Н, F=6000 Н, F=8000 Н, F=10000 Н.
Пусть по результатам испытаний были получены следующие значения прогибов:  = 11 мм, = 13 мм, = 15 мм, = 17 мм, = 20 мм;
12 мм,  14 мм,  17 мм,  20 мм,  24 мм.
Для полученных значений подбираются нелинейные функции:
(мм);
(мм).
Предельная сосредоточенная нагрузка по каждому критерию предельного состояния определяется графически или вычисляется аналитически из уравнений:  кН и  кН,  кН и  кН,  кН и  кН.
По наименьшему нижнему значению получают интервал предельной сосредоточенной нагрузки на прогон –  [11,73; 13,99] кН или равномерно распределенной  кН/м.
По сравнению с известными, представленное изобретение учитывает возможный нелинейный характер зависимости нагрузки от прогиба (линейного перемещения) прогона, а также учитывает одновременно несколько критериев предельных состояний, что повышает достоверность и расширяет область практического применения изобретения.