СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
METHOD OF NONDESTRUCTIVE TESTING OF CONSTRUCTION STRUCTURE BEARING CAPACITY

Изобретение относится к неразрушающему контролю несущей способности строительных и других конструкций, например балок, рам, ферм, валов, резервуаров, зубчатых колес и т.д. из материалов с линейной зависимостью между нагрузкой и деформацией материала (стали, древесины и т.д.).
Известен способ неразрушающего контроля прочности строительных конструкций [1], заключающийся в том, что на поверхности испытуемой конструкции, например балке, раме, ферме, определяют места возможных максимальных деформаций (прогибов), в этих местах конструкцию нагружают механической нагрузкой, не превышающей предельного значения, и определяют величину деформаций в этих местах, а о прочности конструкции судят с учетом среднего значения величины деформации, прикладывают механическую нагрузку постоянной величины, испытуемую конструкцию нагружают 5-10 раз, при определении величины деформации учитывают величину перемещения, строят диаграмму «значение нагрузки - значение деформации (прогиб)» при линейной зависимости между нагрузкой и деформацией с доверительными границами и по предельной деформации (прогибу) определяют предельную нагрузку.
Недостатком этого изобретения является низкая точность диаграмм «значение нагрузки - значение деформации (прогиб)», т.к. прямая диаграммы строится по одной эксплуатационной точке, полученной по результатам экспериментов, а также необоснованных доверительных границах параллельных диаграмме Q-Δ.
Известен способ неразрушающего контроля несущей способности изделий [2], заключающийся в том, что на изделии 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.
Недостатком этого метода является ограниченность области применения (балки, фермы, рамы), и оценка несущей способности осуществляется по критерию предельного перемещения (жесткости конструкции), а не по более важному критерию - по прочности (по безопасности) конструкции или другой продукции.
MAX
MAX
Наиболее близким изобретением служит способ неразрушающего контроля изделий [3], заключающийся в том, что на поверхности испытуемой конструкции определяют места возможных максимальных деформаций, в этих местах испытуемую конструкцию нагружают механической нагрузкой, не превышающей предельного значения вычисленного ориентировочно, теоретически, и определяют величину относительных деформации ε в этих местах, а о прочности конструкции судят с учетом среднего значения величины деформации, прикладывают механическую нагрузку постоянной величины, испытуемую конструкцию нагружают 5-10 раз, а при определении величины нагрузки учитывают величину напряжения, вычисляют соответствующие максимальные нормальные напряжения по закону Гука σ=ε·E, используя модуль упругости материала Е, строят диаграмму «нагрузка - напряжение» в виде прямой, проходящей через начало координат и вблизи трех точек (σ, Q). Экстраполируя диаграмму прямой до ординаты, равной предельному напряжению (пределу текучести, пределу прочности и т.д.). Аналогичным образом строят доверительные границы для диаграммы (Q, σ).
MAX
σ
E
ПР
Недостатком этого способа является то, что дополнительное нагружение при испытании конструкции приводит к увеличению существующих повреждений в материале конструкции, так как испытательная нагрузка неизбежно накладывается на нагрузку от собственного веса конструкции и веса оборудования (или другой эксплуатационной нагрузки). Также недостатком является то, что в качестве предельного значения нагрузки по условию безопасности принимается только нижнее значение предельной нагрузки . Построение диаграммы «нагрузка Q - напряжение σ» с экстраполяцией ее прямой линией до предельного напряжения (предела прочности, предела текучести и т.д.) осуществляется по трем экспериментальным точкам с координатами (σ, Q), в то время как известно, что вблизи этих пределов диаграмма криволинейная. Также в формуле σ=ε·Е используется модуль упругости материала Е для определения напряжения, значения которого берутся из справочно-нормативных документов, в которых его значения приводятся при вероятности реализации, равной 50% и, следовательно, может оказаться неточным, что приводит к неопределенным по значению ошибкам при определении качества (несущей способности) конструкции. Если определение модуля упругости осуществляется по результатам дополнительных испытаний образцов из материала конструкции, то это связано с частичным разрушением и затем усилением конструкции. Кроме того, учет изменчивости модуля упругости в формуле σ=ε·Е в прототипе приводит к увеличению среднего квадратического отклонения напряжения, который определяют по формуле , из которой видно, что S возрастает за счет S, отчего возрастает ширина доверительного интервала для напряжения σ, которая определяется, например, для нормального закона распределения случайной величины  (t - коэффициент Стьюдента, n - число измерений, α - уровень значимости α∈[0;1]), соответственно увеличивается интервал , внутри которого находится истинное значение предельной нагрузки Q.
Цель изобретения - повышение безопасности испытаний и точности определения предельной нагрузки (несущей способности) по критерию прочности для строительных конструкций из материалов с линейной зависимостью между нагрузкой и деформацией (сталей, древесины и других материалов).
ПР
В способе неразрушающего контроля прочности конструкций, по которому на поверхности испытуемой конструкции определяют места возможных максимальных деформаций, в этих местах испытуемую конструкцию нагружают 5-10 раз механической нагрузкой, не превышающей предельного значения, и определяют величину деформации в этих местах, а о прочности конструкции судят с учетом значений величины деформации, нагружают конструкцию механической нагрузкой, направленной противоположно собственному весу и весу эксплуатационной нагрузки, тремя ступенями нагружения, измеряют деформации в конструкции при каждом нагружении (устанавливают измерители деформации на верхней и нижней гранях балок, ферм, рам) в опасном и рядом с опасным сечениях, находят положение нейтральной оси в сечении элемента, с помощью измеренных деформаций в опасном сечении (в месте приложения испытательной нагрузки) и с использованием нейтральной оси строят эпюру деформаций в этом сечении, по результатам трех средних значений относительных деформаций ε и соответствующим им нагрузкам F изображают точки в осях координат ε-F, по которым строят среднюю прямую зависимости нагрузки от относительной деформации, по оси абсцисс диаграммы откладывают измеренные относительные деформации ε, в качестве предельной деформации используют ее значение, равное 0.05%, которое соответствует пределу упругости материала, до которого диаграмму F(ε) принимают прямой линией, несущую способность конструкции определяют в виде интервала значений , строят равномерный закон распределения предельной нагрузки F как случайной величины по известным значениям  и , несущую способность конструкции определяют по заданной вероятности (обеспеченности), как абсциссу в законе распределения с соответствующей обеспеченностью (вероятностью).
3
4
На фиг.1 показана испытательная нагрузка F, а также расстановка измерителей деформации Тр1 и Тр2 относительно опасного сечения (сечения с приложенной испытательной нагрузкой F), где F - нагружающее устройство (домкрат с образцовым манометром), ε, ε - деформации вблизи нагружающего устройства.
1
2
3
1
2
3
На фиг.2 показан график зависимости ступеней испытательной нагрузки F, F, F от деформации ε, ε, ε с доверительными границами 0-1-2-3 и 0-1'-2'-3'.
На фиг.3 показан равномерный закон распределения случайной величины , находящейся в интервале .
На фиг.4 показана расчетная схема экспериментальной балки с испытательной нагрузкой F и установленными измерителями деформации Тр1, Тр2.
ПР
На фиг.5 показан график зависимости испытательных нагрузок F и относительных деформаций опасного сечения, а также значения , , ε.
Способ осуществляется следующим образом.
MAX
3
4
На поверхности испытуемой конструкции определяют места возможных максимальных деформаций, в этих местах испытываемую конструкцию нагружают механической нагрузкой, направленной противоположно направлению нагрузки от собственного веса и веса оборудования (или другой эксплуатационной нагрузки), и не превышающей своего предельного, определенного теоретически значения, испытываемую конструкцию нагружают по 5-10 раз в одном и том же месте и измеряют наибольшие деформации ε при каждом нагружении в месте, противоположном месту приложения нагрузки, а также в верхнем и нижнем поясах, стенках, полках балок, ферм, рам и других конструкций на свободных от нагружающих устройств, например домкратов, участках. Нагружение осуществляют не менее чем при трех различных ступенях нагрузки. По результатам измеренных деформаций в опасном (наиболее нагруженном) месте балки находят наибольшие деформации в месте приложения нагрузки по результатам измерения деформаций в конструкции рядом с нагружающим устройством, по которым находят нейтральную ось, как показано на фиг.1, где F - нагружающее устройство (домкрат с образцовым манометром), ε, ε - деформации вблизи нагружающего устройства.
1MAX
1MAX
1
2
3
ПР
ПР
ПР
Если поперечное сечение элемента симметричное, то ограничиваются измерением деформации ε, по которой строят диаграмму «нагрузка F - деформация ε» при трех значениях нагрузки F<F<F<F, где F - предельная нагрузка, соответствующая предельной деформации ε=0.05%. Это замечание относится и фермам при узловой нагрузке.
3
4
1MAX
2MAX
2MAX
i
i
2MAX
ПР
ПР
ПР
ПР
По результатам полученных деформаций ε и ε находят нейтральную ось балки и по значению ε и с помощью нейтральной оси графически находят ε. По результатам измеренных значений ε и нагрузкам F строят диаграмму «F-ε» в виде прямой по трем точкам, как показано на фиг.2, определяют доверительные интервалы деформаций для каждой ступени нагружения (по формуле для нормального закона распределения случайной величины), по точкам которых строят прямые - доверительные границы, проводят прямую параллельную оси F через абсциссу ε=ε, где ε=0.05% (до предела упругости), через точку пересечения прямых F-ε и ε=ε проводят прямую перпендикулярную оси ординат F до пересечения с доверительными границами, из точки пересечения этой прямой с прямой верхней доверительной границы проводят прямую параллельную оси нагрузки F до прямой нижней доверительной границы, ордината этой точки и будет нижним значением предельной нагрузки , верхнее значение предельной нагрузки  определяется с учетом масштаба по ординате отсекаемой горизонтальной прямой, проходящей через точку пересечения диаграммы F-ε и прямой ε=ε, а несущую способность конструкции определяют в виде интервала значений .
1
2
3
Значение координаты 0' соответствует абсциссе, равной предельному значению деформации предела упругости 0.05%. Используя доверительные интервалы трех точек ε, ε, ε находим доверительные границы 0-4 и 0-4' и, как следствие, нижнее и верхнее значение предельной нагрузки , .
пр
пр
Принимаем равномерное распределение случайной величины , находящейся в интервале , по которому строим график этого распределения и по заданной вероятности (обеспеченности) находим графически с учетом масштаба значение предельной нагрузки (см. фиг.3) или по формуле , Р - предельная обеспеченность (вероятность) значения F по критерию (условию) прочности.
Пример:
ПР
ПР
Определим несущую способность (предельную нагрузку) балки в виде сосредоточенной силы F, приложенной в середине пролета шарнирно опертой балки или в виде равномерно распределенной нагрузки q. Будем ее нагружать сосредоточенной силой, направленной противоположно собственному весу и весу оборудования (или другой эксплуатационной нагрузки).
4
3
y
y
Балка из трубы прямоугольного сечения 40×25×1.5 по ГОСТ 8645-68, длина балки L=2 м, момент инерции в плоскости изгиба I=1.87 см, момент сопротивления W=1.49 см, расчетное сопротивление стали R=240 МПа, предел упругости примем σ=210 МПа.
Определим теоретически (без учета снижения несущей способности за время эксплуатации для реальных конструкций) несущую способность балки:
Ступени нагружения примем для исключения больших погрешностей при малых нагрузках 54, 58, 60 кг или 529.7, 569.0, 588.6 Н соответственно. Со стороны растянутых и сжатых волокон рядом с опасным сечением, а также со стороны сжатых волокон в середине пролета (опасное сечение) установим средства измерения деформации.
-5
-5
-5
-5
-5
-5
-5
На каждой ступени нагружение проводят 5-10 раз и экспериментально находят деформации в стенках балки, положение нейтральной оси и, как следствие, относительные деформации в опасном сечении (в середине пролета, в месте приложения экспериментальной нагрузки). Полученные относительные деформации в опасном сечении составили 30.1×10, 38.5×10, 43.1×10 и доверительные интервалы 1.5×10, 2×10, 2.6×10соответственно. Значение предельной деформации равно 0.05%, т.е. 50×10. Построим диаграмму «нагрузка-деформация» и по ней определим ,  (см. фиг.5).
По результатам экспериментов определено, что  Или распределенная нагрузка  т.о.
Предлагаемый способ удобен, безопасен и производителен при определении несущей способности конструкции, находящейся в эксплуатации, например для стропильных ферм, балок кровли, пролетный строений мостов и т.п.
Список литературы
1. Патент RU 2006814 C1 Российская Федерация: МПК G01N 3/00. Способ неразрушающего контроля прочности строительных конструкций / Уткин B.C.; заявитель и патентообладатель Вологодский государственный технический университет. - №4943119/28; заявл. 06.06.1991; опубл. 30.01.1994. Бюл. №2.
2. Патент RU 2161788 C2 Российская Федерация: МПК G01N 3/10. Способ неразрушающего контроля несущей способности строительных конструкций / Уткин B.C., Голикова Л.В.; заявитель и патентообладатель Вологодский государственный технический университет. - №99102310/28; заявл. 04.02.1999; опубл. 10.01.2001. Бюл. №1.
3. Патент RU 2006813 С1 Российская Федерация: МПК G01N 3/00. Способ неразрушающего контроля прочности строительных конструкций / Уткин B.C.; заявитель и патентообладатель Вологодский государственный технический университет. - №4920713/28; заявл. 19.03.91; опубл. 30.01.94. Бюл. №2.