Способ неразрушающего контроля несущей способности конструктивных систем зданий и сооружений
METHOD FOR NON-DESTRUCTIVE TESTING OF CARRYING CAPACITY OF STRUCTURAL SYSTEMS OF BUILDINGS AND STRUCTURES

Изобретение относится к области эксплуатации и строительства зданий и сооружений и может быть использовано для определения их физического состояния.
Известен способ динамических испытаний крупномасштабных конструкций (патент RU №2104508, опубл. 10.02.98), по которому возбуждают колебания испытуемой конструкции на собственной частоте воздействием на него последовательности ударных импульсов с помощью вибродатчиков, устанавливаемых на испытуемой конструкции, измеряют параметры ее колебаний и по ним судят о динамических характеристиках конструкции.
Для увеличения амплитуды свободных колебаний конструкции возбуждение ее колебаний по данному способу осуществляют с помощью силовозбудителя, формирующего импульсный сверхзвуковой управляемый газовый поток в пучности расчетной формы собственных колебаний, что приводит к усложнению силовозбудителя, увеличению его габаритов и требует больших временных затрат. Такой способ не позволяет проводить оперативное обследование зданий и сооружений, требует от персонала наличия специальных навыков управления силовозбудителем и соблюдения особых мер безопасности при обращении с ним.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является сейсмометрический способ мониторинга технического состояния зданий и/или сооружений (патент RU №2515130, опубл. 10.05.2014 г.), заключающийся в том, что выполняют выбор контрольных точек измерений, соответствующих местам, близким к максимальным значениям заданного количества первых значимых частот и форм собственных пространственных колебаний зданий и/или сооружений, установку сейсмических датчиков в выбранных точках на обследуемом здании и/или сооружении, периодическую с заданным шагом и в течение заданного интервала времени (сеанса) сейсмическую регистрацию и обработку записей по трем пространственным координатам микросейсмического фона естественного и техногенного происхождения, в условиях которого постоянно находится здание и/или сооружение, определение для каждого сеанса интегральных динамических характеристик, сравнение значений этих характеристик текущего сеанса с ранее полученными подобным образом и анализ отклонения от этих значений, при этом вначале создают расчетную конечно-элементную трехмерную математическую модель объекта, связывающую характеристики свойств материала (модуль упругости, коэффициент Пуассона, плотность), пространственную конструкцию объекта, граничные условия, с выбранным количеством его первых значимых частот и форм собственных пространственных колебаний при заданных силовых воздействиях на объект, вызванных влиянием окружающей среды, затем в течение времени выбранной длительности выполняют накопление данных - через заданные заранее интервалы времени в течение заданного сеанса измеряют микросейсмические колебания естественного и техногенного происхождения трехкомпонентными сейсмическими датчиками в контрольных точках здания и/или сооружения, по которым с помощью спектрального анализа определяют выбранное количество первых значимых экспериментальных частот и форм собственных пространственных колебаний здания или сооружения в этих точках, к которым в автоматизированном режиме с помощью разработанной расчетной конечно-элементной модели разделенной на части конструкции объекта проводят при неизменных других параметрах итерационный подбор таких значений модуля упругости и коэффициента Пуассона материала каждой части конструкции, которые в выбранных контрольных точках здания и/или сооружения минимизируют квадрат отклонения выбранного количества полученных из модели первых значимых теоретических частот и форм собственных пространственных колебаний от частот и форм, полученных из экспериментальных измерений при действии всех факторов окружающей среды для всей длительности времени накопления, при этом значения модулей упругости материалов частей конструкции здания и/или сооружения вместе с параметрами воздействия окружающей среды и выбранным количеством первых значимых теоретических частот и форм собственных пространственных колебаний запоминают в базе данных, как эталонные; затем через заданные заранее интервалы времени в течение заданного сеанса выполняют трехкомпонентными сейсмическими датчиками текущие измерения микросейсмических колебаний естественного и техногенного происхождения в контрольных точках здания и/или сооружения, по которым с помощью спектрального анализа определяют выбранное количество текущих первых значимых экспериментальных частот и форм собственных пространственных колебаний объекта в этих точках, и к которым, как описано ранее, с помощью разработанной расчетной конечно-элементной математической модели в автоматизированном режиме подбирают при неизменных других параметрах такие текущие значения модуля упругости и коэффициента Пуассона для каждой части конструкции здания или сооружения, которые минимизируют квадрат отклонения выбранного количества текущих первых значимых экспериментальных частот и форм собственных пространственных колебаний к вычисленным с помощью модели теоретическим частотам и формам в контрольных точках, при этом извлекают из базы данных для всех частей конструкции объекта эталонные значения модулей упругости и коэффициентов Пуассона и вычисляют разность между этими эталонными и аналогичными текущими значениями, которая затем оценивается по критерию согласия с заданной вероятностью как незначимая или значимая, и в случае признания отклонения от эталона в какой-либо части объекта значимой, эту часть отмечают, как особую для последующего дополнительного обследования.
Недостатком этого способа является неконтролируемость источников возбуждения колебаний окружающей среды, что обеспечивает низкую точность определения характеристик силового воздействия на объект в требуемой точке и, следовательно, его динамических характеристик. Также, данный способ подразумевает проведение итерационного подбора значений модуля упругости и коэффициента Пуассона материала каждой конструкции при неизменных других параметрах, поэтому не учитываются факторы снижения несущей способности, не связанные со свойствами материала (уменьшающие площадь и момент инерции поперечного сечения строительных конструкций).
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение точности инструментального диагностирования технического состояния возводимых и эксплуатируемых строительных объектов.
Задача решается тем, что в способе неразрушающего контроля несущей способности конструктивных систем зданий и сооружений включающий создание конечно-элементной математической модели, связывающей свойства материала, пространственную конструкцию и упругие характеристики объекта, выбор контрольных точек измерения, граничные условия при заданных силовых воздействиях на объект, экспериментальные измерения характеристик конструктивной системы зданий и сооружений при заданных силовых воздействиях на нее и оценку ее несущей способности, заданные силовые воздействия на объект определяют динамическими методами испытаний, выбор контрольных точек измерения производят в соответствии с точками максимальных напряжений, при этом элементам конструкции задают теоретическую жесткость поперечного сечения, и рассчитывают теоретическое значение податливости конструктивной системы, затем экспериментально измеряют податливость конструктивной системы при помощи динамических методов испытаний, значением которой дополняют конечно-элементную математическую модель, и рассчитывают экспериментальную жесткость поперечного сечения элементов конструктивной системы, а оценку несущей способности конструктивных систем зданий и сооружений проводят путем сравнения теоретической и экспериментальной жесткости поперечного сечения элементов конструктивной системы, в случае превышения теоретической жесткости над экспериментальной, несущая способность конструктивной системы зданий и сооружений не обеспечена.
На фиг. 1 представлен способ неразрушающего контроля несущей способности конструктивной системы сооружения деревянной стойки, а именно, ее динамические испытания, на фиг. 2 - конечно-элементная математическая модель конструктивной системы сооружения деревянной стойки.
Способ осуществляют следующим образом.
Осуществление способа опишем на примере неразрушающего контроля несущей способности конструктивной системы сооружения деревянной стойки.
1. Сначала создается конечно-элементная математическая модель конструктивных систем зданий и сооружений.
Для создания модели необходимо визуально-инструментальное обследование здания и сооружения с определением основных геометрических и физических показателей объекта. При этом определяется конструктивная схема, проводятся обмерные работы для определения фактических геометрических показателей объекта: габаритных размеров, глубины заложения фундаментов, шагов и размеров несущих конструкций, пролетов конструкций покрытия, вылетов консольных конструкций, стрел подъема арочных и сводчатых конструкций, размеров поперечного сечения с соотнесением с сортаментом. Определяются фактические нагрузки на конструкции здания и сооружения. Далее определяются показатели упругих свойств материала строительных конструкций. Для этого применяют различные приборы и методы неразрушающего контроля, например, склерометры механические и электронные для определения прочности бетонных и каменных конструкций, твердомеры для определения твердости и марки стали стальных конструкций, измеритель влажности древесины. При неудовлетворительных показателях точности применяют разрушающие методы контроля прочности и упругости материалов. Информацию дополняют проектными сведениями и результатами предыдущих строительно-технических экспертиз (при их наличии).
Конечно-элементная модель (КЭ-модель) конструктивных систем зданий и сооружений составляют либо ручным способом, либо в автоматизированном расчетном комплексе (ЛИРА-САПР, SCAD, ANSYS и др.). По информации из первого этапа о поперечных сечениях строительных конструкций элементам системы и, соответственно, конечным элементам, задают теоретическую изгибную жесткость поперечного сечения.
Таким образом, имеется модель конструктивной системы зданий и сооружений объекта в работоспособном состоянии без снижения несущей способности. Она необходима для вычисления теоретических значений податливости от заданной нагрузки динамических испытаний.
Для рассматриваемого примера:
- конструктивная схема объекта - каркасная;
- материал - сосна II сорта;
- геометрические габаритные размеры объекта: 197×95×1680 мм;
- фактические действующие нагрузки: от собственного веса 0.157 кН;
- модуль упругости Е=9500 МПа, определен разрушающим методом путем испытаний образцов из используемой партии древесины;
в
п
- коэффициент Пуассона ν=0.45 вдоль волокон и ν=0.018 поперек волокон, определены по стандарту;
- конструктивное нарушение - вырез 2×2 см на высоте 800 мм над опорой;
- несущие элементы: стойка из конструкционной древесины;
- граничные условия: конструктивная система ограничена жестким опорным узлом по системе ЦНИИСК.
- отсутствуют результаты строительно-технических экспертиз;
В примере КЭ-модель конструктивной системы сооружения деревянной стойки составлена вручную. Теоретическая изгибная жесткость поперечного сечения Вх по результатам обмеров:
х,теор
x
6
-8
2
В=EJ=10000⋅10*6052,59⋅10=605259 Н⋅м
2. Выбор контрольных точек измерения конструктивных систем зданий и сооружений.
По результатам визуального обследования и, проанализировав, составленную КЭ-модель, выделяют контрольные точки измерения перемещений при механических колебаниях. Контрольные точки соответствуют местам наибольших напряжений строительных конструкций, а также участкам и узлам, ослабленным дефектами или повреждениями. Например, в рассматриваемой системе сооружения деревянной стойки присутствует повреждение в виде выреза. Соответственно, в области выреза намечают точку измерения и устанавливают измерительные датчики. В качестве измерительного оборудования используют цифровые и аналоговые акселерометры. Наиболее подходящими являются емкостные акселерометры из-за низкого диапазона измеряемых частот колебаний и высокой чувствительности. Измерительное оборудование - регистратор Baykal-8 производства компании «Р-сенсорс» и акселерометры ВС 201 производства компании ZETlab.
2
Выбирают точку приложения динамической нагрузки (воздействия) по критерию удобства установки агрегата на конструкцию и возможности передачи усилий на все выбранные точки измерения перемещений. Например, в рассматриваемой конструктивной системе сооружения деревянной стойки модульный вибростенд устанавливают у опорного узла ввиду удобства крепления к металлической пластине. В качестве динамического оборудования служат цифровые модульные вибростенды с заданным усилием по синусу и регулируемой частотой колебаний. Например, точность измерительного датчика 0.01g (или 0,0981 м/с), колеблющаяся масса при испытаниях составляет 15,72 кг; соответственно, требуемое усилие по синусу составляет 1.54 Н. При данных параметрах подходит модульный вибростенд TIRA TV50009 производства компании TIRA GmbH с усилием по синусу в 9 Н.
3. Экспериментальные измерения характеристик конструктивных систем зданий и сооружений.
Далее проводят динамические испытания при заданной нагрузке и на частоте, близкой к частоте основного тона собственных колебаний конструктивной системы здания и сооружения. Частоту основного тона предварительно определяют по результатам анализа КЭ-модели объекта. При испытаниях определяют амплитуду колебаний, фактическую частоту, логарифмический декремент затухания.
Записи ускорений со всех измерительных точек подвергают интегрированию для перевода линейного ускорения в линейное смещение в метрах. Определяют экспериментальную податливость во всех измерительных точках от действия приложенной динамической нагрузки. Вычисляют коэффициент динамичности; динамическую нагрузку переводят в статическую. Статическая нагрузка задают в КЭ-модели и вычисляют теоретическую податливость во всех измерительных точках. Проводят вычисление теоретической и фактической кривизны формы изгиба элементов конструктивной системы на расчетном участке между контрольными точками. Соотнеся фактическую и теоретическую кривизну, переходят к фактической экспериментальной изгибной жесткости поперечного сечения.
Например, теоретическая частота собственных колебаний составляет 42.18 Гц. По составленной КЭ-модели сооружения деревянной стойки определяем теоретическую податливость в заданной точке измерений 2.87Е-06 м/Н. По теоретической податливости определяют теоретическую кривизна формы изгиба в выбранной точке конструктивной системы. В данном случае она составляет 9.91062Е-07 1/м.
В соответствии с теоретическим значением собственных колебаний конструктивной системы сооружения деревянной стойки, динамические испытания проводят на частоте 35.3 Гц. Амплитуда колебаний в точке измерения составляет 0.0306 мм, фактическая частота собственных колебаний 38.32 Гц, логарифмический декремент затухания 0.35. После расчета коэффициента динамичности соответствующая статическая нагрузка составляет 13.75 Н. Дополняем КЭ-модель конструктивной системы сооружения деревянной стойки статической нагрузкой и получаем экспериментальную податливость в выбранной точке 3.99Е-06 м/Н. Экспериментальная кривизна формы изгиба в точке конструктивной системы составляет 1.38368Е-061/м.
Используя формулу (1), определяем экспериментальную жесткость поперечного сечения в выбранной точке конструктивной системы.
т
где EJ - теоретическая жесткость поперечного сечения в выбранной точке конструктивной системы;
экс
EJ - экспериментальная жесткость поперечного сечения в выбранной точке конструктивной системы;
т
1/ρ - теоретическая кривизна формы изгиба в выбранной точке конструктивной системы;
экс
1/ρ - экспериментальная кривизна формы изгиба в выбранной точке конструктивной системы.
2
Экспериментальную жесткость составляет 433517.12 Н*м.
4. Оценка несущей способности конструктивной системы зданий и сооружений.
Оценку несущей способности конструктивной системы зданий и сооружений проводят по изгибной жесткости элементов конструктивной системы в выбранной контрольной точке. Если теоретическая жесткость превышает экспериментальную, то несущая способность предварительно не обеспечена. Фактическое значение несущей способности позволяет оценить остаточный ресурс каждого элемента конструктивной системы зданий и сооружений, сделать поверочный расчет и определить категорию технического состояния.
2
2
Например, теоретическая жесткость составляет 605259 Н*м; экспериментальная жесткость составляет 433517.12 Н*м. Экспериментальная жесткость меньше теоретической, соответственно, несущая способность в контрольной точке конструктивной системы не обеспечена.
Таким образом, по сравнению с прототипом, заявляемый способ неразрушающего контроля несущей способности конструктивных систем зданий и сооружений позволяет повысить точность инструментального диагностирования технического состояния возводимых и эксплуатируемых строительных объектов.