Способ неразрушающего определения и мониторинга несущей способности стальных ферм
METHOD FOR NON-DESTRUCTIVE DETERMINATION AND MONITORING OF THE BEARING CAPACITY OF STEEL TRUSSES

Изобретение относится к неразрушающему контролю стальных ферм статической нагрузкой и может быть использовано при обследовании и испытании зданий и сооружений.
Известен способ виброакустических испытаний ферм (RU 2684684 C1, МПК G01M 7/00, опубл. 11.04.2019), включающий возбуждение в стержне вынужденных упругих колебаний с изменяющейся частотой и регистрацию значения частоты его резонансных колебаний. В качестве возбуждаемого выбирают один из легкодоступных стержней верхнего пояса испытываемой фермы, соединяют узлы на концах данного стержня жесткой стяжкой регулируемой длины, повторно регистрируют вышеуказанным образом его резонансную частоту, считают в случае резкого увеличения резонансной частоты стержень дефектным и производят его замену. Далее, путем переноса и регулировки длины данной стяжки поочередно соединяют в узлах концы каждого из труднодоступных стержней нижнего пояса и решетки, граничных с возбуждаемым стержнем при наличии общего с ним узла, повторно для каждого соединения контролируют характер изменения резонансной частоты того же возбуждаемого стержня верхнего пояса. В случае ее заметного увеличения производят отбраковку и замену соответствующего стянутого труднодоступного стержня нижнего пояса или решетки. Выбирают в качестве возбуждаемых последовательно другие легкодоступные стержни верхнего пояса, а при необходимости и решетки, и для каждого из них аналогичным образом повторяют процесс испытаний граничных с ними труднодоступных стержней нижнего пояса и решетки.
Недостатками данного подхода являются низкая достоверность результатов вследствие использования не силового критерия оценки, а также высокая трудоемкость проведения испытаний с необходимостью применения специализированного оборудования.
Известен способ испытаний конструкций (SU 509798 A1, МПК G01L 1/10, опубл. 05.04.1976), заключающийся в том, что в элементе конструкции возбуждают колебания на его собственной частоте и учитывают эту частоту при определении усилий. С целью повышения точности испытаний, длину колеблющейся части элемента ограничивают наложением дополнительных механических связей, после этого измеряют собственную частоту элемента, прикладывают к нему дополнительную нагрузку известной величины, намеряют собственную частоту элемента под этой нагрузкой и, сравнивая эти частоты, судят о величине начальных усилий.
Недостатками данного способа также является низкая достоверность результатов вследствие использования не силового критерия оценки, а также высокая трудоемкость проведения испытаний с необходимостью применения специализированного оборудования.
Наиболее близким изобретением является способ неразрушающего определения несущей способности строительных конструкций (RU №2460057, МПК G01N 3/32, опубл. 27.08.2012), по которому на поверхности испытуемой конструкции определяют места возможных максимальных деформаций. В этих местах испытываемую 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. Способ отличается тем, что конструкцию нагружают 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 сечениями, 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 е и соответствующим им нагрузкам F изображают точки в осях координат е-F строят среднюю прямую зависимости нагрузки от относительной деформации. По оси абсцисс диаграммы откладывают измеренные относительные деформации е, в качестве предельной деформации используют ее значение, равное 0,05%, которое соответствует пределу упругости материала, до которого диаграмму F(е) принимают прямой линией. Несущую способность конструкции определяют в виде интервала значений, строят равномерный закон распределения предельной нагрузки как случайной величины по известным значениями, а несущую способность конструкции определяют по заданной вероятности (обеспеченности), как абсциссу в законе распределения с соответствующей обеспеченностью (вероятностью).
Недостатками данного изобретения являются низкая точность и достоверность оценки несущей способности вследствие использования в качестве критерия предельного состояния предельную деформацию, равную 0,05%, что соответствует пределу упругости стали, в то время как элемент или конструкция может получить недопустимые напряжения до наступления предела упругости или же безопасно эксплуатироваться после достижения предела упругости; также нагружение конструкции по направлению противоположному эксплуатационной нагрузке не позволяет выдерживать нагрузку для получения деформаций ползучести.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности и достоверности определения несущей способности стальных ферм на стадии их эксплуатации, а также возможность контроля и мониторинга несущей способности фермы.
Технический результат достигается за счет того, что в выявленные функции зависимости относительной деформации от нагрузки подставляются предельные значения относительной деформации, вычисленные для каждого стержня отдельно (для сжатых стержней - по критерию устойчивости и по критерию предела пропорциональности; для растянутых - по критерию предела пропорциональности), а испытательная нагрузка прикладывается по направлению эксплуатационной нагрузке.
Изобретение поясняется графически (фиг.1).
i
5
5
1
j,ult
На фиг.1 представлены графики подобранных нелинейных функций зависимостей нагрузки F и относительной деформации для трех стержней фермы j=1, 2, 3:  и  - нижняя и верхняя граничные функции зависимости нагрузки от относительной деформации стержня; графики функций зависимости нагрузки F и наибольшего прогиба фермы f:  и  - нижняя и верхняя граничные функции зависимости нагрузки от прогиба фермы; 5 ступеней нагрузки: F, i=1, 2, …, 5;  и  - нижнее и верхнее значение предельной нагрузки (как оценки несущей способности фермы);  и  - нижнее и верхнее значение предельного прогиба фермы; p(f) - функция плотности вероятностей прогиба f на 5 ступени нагрузки F; p(е) - функция плотности вероятностей деформаций на 5 ступени нагрузки F для стержня j=1; е - предельная относительная деформация для стержней фермы j=1, 2, 3.
Способ заключается в следующем: испытания проводят при отсутствии снеговой нагрузки; перед проведением каждому стержню фермы присваивается номер j=1, 2, …, k.
1
2
3
4
5
i
i
i
i+1
В середине пролета фермы устанавливают измеритель линейных перемещений (например, индикатор часового типа), а на каждый стержень исследуемой фермы в середине его длины устанавливают измеритель деформации (например, тензорезистор), после чего в узлах фермы, где передается снеговая нагрузка через прогоны, после чего 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 ферму , вычисленной теоретически. Каждая ступень испытательной нагрузки выдерживается до стабилизации значений относительных деформаций и линейных перемещений (прогибов), после чего фиксируется значение прогиба f, i=1, 2, …, 5, и относительной деформации для каждого элемента е, i=1, 2, … 5, при данной ступени испытательной нагрузки F, после чего прикладывается следующая ступень испытательной нагрузки F. После выдержки пятой ступени нагрузки, испытательная нагрузка снимается, и испытания повторяются, после стабилизации относительных деформаций стержней и прогиба фермы.
i
i
i
i
i
i
i
i
Затем в осях F-е (ось F вертикально; ось е горизонтально вправо) откладывают экспериментальные точки для каждого стержня фермы j=1, 2, …,k: (F; ) и (F; ), где  - среднее значение относительной деформации при нагрузке F;  - среднеквадратическое отклонение относительной деформации при нагрузке F;  - квантиль Стьюдента с доверительной вероятностью ; n - число испытаний на каждой ступени нагрузки i; и на том же графике в осях F-f (ось f горизонтально влево) откладывают точки экспериментальные точки линейных перемещений: (F; ) и (F; ), где  - среднее значение линейного перемещения фермы при нагрузке F;  - среднеквадратическое отклонение линейного перемещения фермы при нагрузке F;  - квантиль Стьюдента с доверительной вероятностью ; n - число испытаний на каждой ступени нагрузки i;
Затем подбирают нелинейные функции для каждого j=1,2,…,k стержня фермы  по точкам  и  по точкам , а также подбирают нелинейные функции для зависимостей нагрузки и линейного перемещения:  по точкам  и  по точкам , используя метод наименьших квадратов.
После чего устанавливают предельные значения относительных деформаций стержней фермы  по формулам: для сжатых стержней , а для растянутых стержней , где  - предельное напряжение стали фермы, соответствующее пределу пропорциональности;  - модуль упругости стали фермы;  - коэффициент расчетной длины;  - момент инерции сечения j стержня;  - площадь поперечного сечения j стержня;  - длина j стержня;  - относительная деформация j-стрежня фермы от собственного веса и веса конструкции покрытия, вычисленная теоретически.
Затем графически или аналитически из уравнений  и  вычисляют предельную допустимую нагрузку на ферму в виде интервала [;]. После чего вычисляют предельное значение прогибов из уравнений , откуда находят , и , откуда находят .
После чего испытания завершают, а измеритель линейных перемещений оставляют в установленном месте. Затем с определенной периодичностью снимают показания с измерителя линейных перемещений и сравнивают их с предельными значениями  и : если прогиб f меньше , то эксплуатацию фермы продолжают; если прогиб f находится в интервале [; ], то необходимо усилить контроль за эксплуатацией фермы; если прогиб превышает значение , то необходимо экстренно прекратить эксплуатацию фермы с проведением мероприятий по уточнению ее категории технического состояния. Вышеописанные испытания проводят не реже одного раза в пять лет для корректировки графиков, условно изображенных на фиг.1.
Использование предлагаемого изобретения позволит более достоверно оценить несущую способность фермы или другой стержневой системы, а также отслеживать во времени уровень безопасности эксплуатации фермы.