Обследование и испытание зданий и сооружений. Обследование и испытание зданий и сооружений
 Скачать 1.64 Mb.
|
|
Раздел 3. Классификация силовых нагрузок Под испытанием сооружений понимают совокупность операций, связанных с выявлением и проверкой состояния, а также работоспособности обследуемых строительных объектов и отдельных их элементов. Эти операции могут быть разбиты на следующие основные комплексы: 1) освидетельствования, включающие операции по проверке размеров, выявлению качества материалов, дефектоскопии и уточнению других факторов, определяющих состояние сооружения; 2) испытания, под которыми понимается проверка поведения исследуемого объекта при приложении к нему внешних нагрузок (статических и динамических), изменение температуры и влажности внешней среды и т.д.; 3) перерасчеты на прочность, деформируемость, трещиностойкость, как отдельных, входящих в состав сооружения конструкций, так и всего объекта в целом, проводимые на основании фактических данных, полученных в результате освидетельствования и испытания. Классификация освидетельствований и испытаний может производиться по различным признакам. Приведем главнейшие из них: I. Классификация по цели исследования: а) приемочные освидетельствования и испытания законченных строительных объектов перед сдачей их в эксплуатацию; б) освидетельствования и испытания объектов, находящихсяв эксплуатации, как плановые, так и назначаемые в особых случаях, например, для установления фактической несущей способности сооружения в связи с предстоящей его реконструкцией, после аварии и т.д.; в) испытания деталей и элементов на заводах- изготовителях; г) научно-исследовательские испытания. II. Классификация по объектам исследования: 69 а) натурные освидетельствования и испытания, проводимые на реальных объектах; б) испытания отдельных конструкций и их элементов на специальных установках или стендах, проводимые как в лабораториях для испытаний строительных конструкций, так и на строительных полигонах и площадках; в) испытания на моделях, воспроизводящих в уменьшенном масштабе или исследуемое сооружение в целом, или отдельные его детали. Модельные испытания, как правило, проводятся в лабораторных условиях. III. Классификация по характеру приложенной нагрузки: - статические испытания; - динамические испытания. Более детальная классификация каждой из этих групп рассматривается далее. Диагностика – установление и изучение признаков, характеризующих состояние строительных конструкций зданий и сооружений для определения возможных отклонений и предотвращения нарушений нормального режима их эксплуатации. Обследование – комплекс мероприятий по определению и оценке фактических значений контролируемых параметров, характеризующих эксплуатационное состояние, пригодность и работоспособность объектов обследования и определяющих возможность их дальнейшей эксплуатации или необходимость восстановления и усиления. Дефект – отдельное несоответствие конструкций какому- либо параметру, установленному проектом или нормативным документом. Критерии оценки – установленное проектом или нормативным документом количественное или качественное значение параметра, характеризующего прочность, деформативность и другие нормируемые характеристики строительной конструкции. 70 Категория технического состояния – степень эксплуатационной пригодности строительной конструкции или здания и сооружения в целом, установленная в зависимости от доли снижения несущей способности и эксплуатационных характеристик конструкций. Оценка технического состояния – установление степени повреждения и категории технического состояния строительных конструкций или зданий и сооружений в целом на основе сопоставления фактических значений количественно оцениваемых признаков со значениями этих же признаков, установленных проектом или нормативным документом. Нормативный уровень технического состояния – категория технического состояния, при котором количественное и качественное значения параметров всех критериев оценки технического состояния строительных конструкций зданий и сооружений соответствует требованиям нормативных документов. Исправное состояние – категория технического состояния строительной конструкции или здания и сооружения в целом, характеризующаяся отсутствием дефектов и повреждений, влияющих на снижение несущей способности и эксплуатационной пригодности. Работоспособное состояние – категория технического состояния, при которой некоторые из численно оцениваемых контролируемых параметров не отвечают требованиям проекта, норм и стандартов, но имеющиеся нарушения требований, например, по деформативности, а в железобетоне и по трещиностойкости, в данных конкретных условиях эксплуатации не приводят к нарушению работоспособности, и несущая способность конструкций, с учетом влияния имеющихся дефектов и повреждений, обеспечивается. Ограниченно работоспособное состояние – категория технического состояния конструкций, при которой имеются дефекты и повреждения, приведшие к некоторому снижению несущей способности, но отсутствует опасность внезапного разрушения и функционирование конструкции возможно при 71 контроле ее состояния, продолжительности и условий эксплуатации. Недопустимое состояние – категория технического состояния строительной конструкции или здания и сооружения в целом, характеризующаяся снижением несущей способности и эксплуатационных характеристик, при котором существует опасность для пребывания людей и сохранности оборудования (необходимо проведение страховочных мероприятий и усиление конструкций). Аварийное состояние – категория технического состояния строительной конструкции или здания и сооружения в целом, характеризующаяся повреждениями и деформациями, свидетельствующими об исчерпании несущей способности и опасности обрушения (необходимо проведение срочных противоаварийных мероприятий). Степень повреждения – установленная в процентном отношении доля потери проектной несущей способности строительной конструкцией. Несущие конструкции – строительные конструкции, воспринимающие эксплуатационные нагрузки и воздействия и обеспечивающие пространственную устойчивость здания. Моральный износ здания – постепенное (во времени) отклонение основных эксплуатационных показателей от современного уровня технических требований эксплуатации зданий и сооружений. Физический износ здания – ухудшение технических и связанных с ними эксплуатационных показателей здания, вызванное объективными причинами. Метрологическое обеспечение испытаний К любым сооружениям предъявляются следующие требования: - все сооружения, а также отдельные их элементы должны быть прочны и устойчивы, т.е. должна быть обеспечена несущая способность сооружений; 72 - перемещения элементов не должны выходить за пределы, обусловленные возможностью и удобством эксплуатации; - не должны возникать трещины и повреждения, нарушающие возможность нормальной эксплуатации или снижающие долговечность сооружений. В то же время не должны допускаться и излишние запасы как в отношении классов и марок применяемых материалов, так и в отношении сечений отдельных элементов, а также и в конструктивной системе сооружения в целом. Наблюдения за состоянием построенных зданий и сооружений, уроки аварий и катастроф, опытные данные, получаемые в лабораториях и при натурных испытаниях конструкций, помогли понять, что принимаемые при проектировании теоретические расчетные схемы в той или иной мере не всегда соответствуют действительной работе возведенных объектов. Несоответствия, характерные для стадии проектирования, сохраняются в течение всего срока эксплуатации сооружения, дополняясь и преобразовываясь под влиянием новых факторов, возникающих на различных этапах существования сооружения. Уточнение знаний о действительной работе конструкций достигается на основе анализа опытных данных. Потребность в достоверных источниках этих знаний однозначно определяет практическое значение и актуальность экспериментальных методов исследования строительных конструкций сооружений. Надежность и долговечность строительных конструкций сооружений обеспечивается в том случае, когда поперечные сечения, узлы сопряжении, соединения, назначенные при проектировании с учетом генеральных размеров и действия всевозможных нагрузок, обладают достаточной прочностью, устойчивостью, трещиностойкостью, а также обеспечивают развитие деформаций не более чем в допустимых пределах и необходимую коррозийную стойкость. Реализация этих требований должна достигаться при минимальных затратах материалов и денежных средств. 73 Дифференцированно с большой точностью учесть влияние каждого из этих факторов на работу конструкций при проектировании обычно не удается. Поэтому проектировщики составляют конструктивную схему здания и, оперируя комплексом нормативных нагрузок, прочностных характеристик материалов, системой частных коэффициентов запаса, принятых в СНиП, назначают расчетную схему, наиболее соответствующую, по их представлению, действительной работе конструкций. Заложенные в СНиП требования, параметры постоянно уточняются опытными данными и, соответственно, исправляются. Следовательно, применяемые расчетные схемы являются идеализированными подобиями конструкций и в какой-то степени не соответствуют их действительной работе. Иными словами, все расчеты содержат элементы условности, которые необходимо уметь правильно оценивать и учитывать. Практика показывает, что при оценке состояния и работы сооружений, находящихся в эксплуатации, необходимо учитывать: - условность статических расчетных схем и возможные отклонения вычисленных по ним усилийот действительного распределенияих в конструкциях сооружений; - условность применяемых расчетных характеристик материалов; - возможные отклонения нагрузок от расчетных значений; - фактическое влияние внешней среды. Оценить влияние всего комплекса перечисленных факторов теоретическим путем часто бывает невозможно. Выход из этого положения один - экспериментальное исследование материалов и конструкций. Таким образом, испытание сооружений не теряет своей актуальности, оставаясь и в перспективе единственно достоверным способом для оценки влияния допущений, принимаемых в расчетах, соответственно влияющих на надежность и долговечность сооружений. 74 Условность расчетных схем Расчетную схему сооружения назначают исходя из конструктивной схемы, стараясь обеспечить возможно более полное совпадение расчетных усилий с усилиями, которые будут возникать в натурной конструкции. Так как дифференцированно удовлетворять в расчетной схеме всем условиям работы конструкции бывает трудно, то часть второстепенных факторов обычно не учитывают, то есть подменяют действительную работу, конструкций упрощенной «идеализированной» расчетной схемой - например, при расчетах железобетонных рам с жесткими узлами на вертикальную нагрузку ригель рассчитывают как изгибаемый элемент, а действием продольной силы и горизонтальным смещением узлов пренебрегают. Второй пример. При расчетах стальных ферм принимают, что соединение элементов решетки с поясами в плоскости фермы шарнирное, тогда как в местах крепления стержней к фасонкам образуются жесткие узлы и, следовательно, возникают изгибающие моменты, вызывающие дополнительные напряжения в фасонках, а также изгиб стержней вблизи узлов. Расчет с учетом этих дополнительных усилий сложен и трудоемок. Поэтому жесткостью узлов пренебрегают. Принятое допущение снижает несущую способность ферм, поэтому недостаток расчетной схемы восполняют конструктивными приемами. При опирании однопролетной балки на кирпичную стену эпюру напряжений в опорной части принимают прямоугольной или треугольной, хотя в действительности она имеет более сложное очертание. В результате этих допущений изменяется расчетная длина пролета. Различные допущения неизбежны при любых расчетных схемах. Важно, правильно оценить их влияние на расчетные усилия: идут ли они в ущерб надежности конструкции или нет, в какой степени и т.д. Условность расчетных характеристик строительных материалов 75 Все расчеты строительных конструкций производятся по нормативным и расчетным характеристикам, регламентированным СНиП. При определении расчетных нагрузок нормативные нагрузки умножают на коэффициенты надежности, установленные СНиП в пределах статистически возможных отклонений с учетом климатических условий, назначения и очертания объекта. Нормативные величины сопротивления материалов корректируют коэффициентами надежности по материалам с учетом коэффициентов условий работы. Считается, что конструкция находится в предельном состоянии при достижении этих условных характеристик (напряжений, деформаций и т.д.), тогда как оценку состояний конструкции в натуре производят по действительным нагрузкам, прочности и деформациям. Отсюда возникает несоответствие расчетной схемы действительной работе конструкции, которое приводят к недоучету перегрузки конструкции или, наоборот, к «фиктивному» перегружению ее. В классических курсах сопротивления материалов, строительной механики, теории упругости и строительных конструкций исходят из того, что все материалы действительно являются «абсолютно» плотными, сплошными, однородными и изотропными телами, тогда как в действительности конструкции выполняются из реальных материалов, свойства которых отличаются от идеализируемых. В реальных материалах всегда имеются поверхностные и внутренние трещины, поры, неоднородности и другие дефекты. В результате наличия дефектов прочность материалов может оказаться меньше проектной. Особенно опасны поверхностные дефекты с острыми углами, на краях которых при действии на тело внешних сил возникает концентрация напряжений - образуется вторичное поле напряжений. Разрушение начинается, когда напряжения в пиках концентрации напряжений приближаются к физической 76 (теоретической или идеальной) прочности материала (формула 1.8): R тeор ≈ [ε отн ]· Е (3.1) где: Е - модуль Юнга; [ε отн ] - предельная относительная деформация. Наличие дефектов в реальных условиях работы конструкций приводит к снижению прочности до уровня технической, которой пользуются в практике. Она в сотни и даже иногда тысячи раз меньше физической прочности. Например, прочность бетона на растяжение не превышает R р ,≤ 0.00015Е σ , т.е. меньше R тeор , по крайней мере, в 600 раз. Неправильный уход за материалом, например, за бетоном, может привести к увеличению трещиноватости и еще большему снижению прочности. Значительное влияние на прочность материала оказывает также его анизотропность. Например, в древесине прочность вдоль и поперек волокон разная, и это учитывается в расчетах, а разница прочности бетона вдоль и поперек направления уплотнения при вибрировании, или в металле вдоль и поперек проката в расчетах не учитывают. Условность расчетных характеристик также вызывается неоднородностью работы составных сечений. В таких элементах всегда имеются несовершенства, возникающие в результате неточности изготовления деталей, дефектов в местах сопряжении, разно- родности применяемых материалов, недостаточных связей между элементами и т.д., которые приводят к внутренним сдвигам, искажающим схематическую картину распределения усилий, принятую по проекту. В этих случаях теоретические расчеты оказываются малоэффективными и для оценки отклонений от расчетных характеристик производят испытания в натурных условиях. Влияние температурных и влажностных условий эксплуатации 77 Сооружения обычно подвергаются воздействию температур наружного воздуха с годичными, месячными, суточными циклами колебаний. Температура в конструкциях изменяется при изменении температуры окружающей среды, стремясь восстановить термодинамически равновесное состояние. Выравнивание температуры конструкций с температурой окружающей среды происходит по глубине элемента неравномерно: в наружных слоях материал прогревается или остывает интенсивнее, чем во внутренних. Поэтому температура конструкции на разной глубине от поверхности не одинакова. Неравномерность температуры в разных слоях материала приводит к не- равномерности напряжений в теле конструкции. В результате в массивных конструкциях из материалов, обладающих не- большой теплопроводностью, таких, как бетон, возникают температурные волны, приводящие в ряде случаев к об- разованию трещин внутри бетонных и железобетонных конструкций. В конструкциях из материалов, обладающих большой теплопроводностью, например из стали, могут возникнуть циклические деформации, достигающие иногда недопустимых величин или приводящие к разрыву конструкций. Например, разрушаются бандажи на дымовых трубах, появляются трещины в резервуарах и мостах. Влияние изменения свойств, строительных материалов во времени Материал в сооружениях, по аналогии с биологическими средами, «живет», т.е. его состояние и характеристики в известной степени (в зависимости от рода материала, условий эксплуатации и приложенных нагрузок) изменяются во времени. Рассмотрим несколько наиболее характерных примеров. Общеизвестно, что прочность бетона в сооружениях со временем возрастает. Однако при неблагоприятных условиях - при низких температурах свежеуложенного бетона, недостаточном увлажнении его и, в особенности, при 78 воздействии агрессивных сред, это нарастание прочности не только замедляется, но может приостановиться совсем, а в отдельных случаях - даже замениться обратным процессом. При приложении внешней нагрузки зависимость между напряжениями и деформациями в бетоне носит криволинейный характер. Но при повторных циклах нагружения (не превосходящих 40-50% от предела прочности) график деформаций постепенно выпрямляется (рис. 1.5) и бетон начинает работать практически упруго. Рис.1.5. График деформаций при повторных загружениях бетона В таких условиях находятся, например, железобетонные мосты, систематически загружаемые проходящей подвижной нагрузкой. Наоборот, длительная выдержка сооружения в ненагруженном состоянии ведет к частичному восстановлению криволинейности диаграммы деформаций. Характеристики металла в элементах конструкций, работающих в упругой стадии, остаются практически стабильными. Пластические деформации вызывают явление наклепа, влияющего на физико-механические свойства материала (снижение пластичности, увеличение хрупкости, развитие анизотропии и т.д.). Длительная разгрузка отчасти восстанавливает первоначальные свойства. Наклеп и механическое старение металла создают условия для возникновения и развития, в особенности при пониженных температурах, опасных для целости конструкций "хрупких" трещин. 79 Постепенное изменение физико-механических свойств наблюдается и в других материалах - дереве, пластмассах и т.д., тем более значительное, чем в более сложных условиях протекает процесс эксплуатации сооружения. При оценке действительной работы и несущей способности конструкций выявление и учет возможных изменений характеристик материалов являются задачей первостепенной важности. Влияние разуплотнения стыков и соединений элементов на работу сооружения При вводе сооружения в эксплуатацию при первых же загружениях возникают сдвиги и пластические деформации в соединениях и связях, сопровождающиеся появлением характерных для начальной работы конструкции так называемых "рыхлых" прогибов и перемещений. Постепенно элементы как бы взаимно "притираются" и приспосабливаются к условиям эксплуатации, однако сдвиги и остаточные деформации в соединениях и связях все же возрастают. Элементы начинают работать менее слитно, ухудшаются условия их крепления и опирания, появляются трещины и другие повреждения, и возможность нормальной эксплуагации нарушается. Таким образом, состояние и работа сооружений переменны во времени. Последовательно при этом сменяются три стадии: 1 - период "приспособления", продолжающийся до тех пор, пока деформации, как в основном материале элементов, так и в их соединениях, становятся практически стабильными в данных условиях эксплуатации; 2 - длительный период нормальной работы; 3 - период "старения", сопровождающийся расстройством соединений и связей, появлением различных повреждений и ухудшением показателей работы всего сооружения. Цели и задачи обследования и испытания сооружений Цели и задачирассматриваемой дисциплины - разработка методов и средств, предназначенных для качественной и 80 количественной оценки показателей, характеризующих свойства и состояния функционирующих объектов, а также опытного изучения процессов, протекающих в них, выявления экспериментальным путем конструктивных и эксплуатационных свойств материалов, элементов конструкций зданий и сооружений и установления их соответствия техническим требованиям. Обследование строительных конструкций зданий и сооружений содержит методы контроля качества изготовления и монтажа элементов строительных конструкций, обеспечивающих соответствие объекта проектным значениям, а также отображение действительной работы систем. Так, на заводах железобетонных изделий выпускаемые железобетонные сплошные панели для перекрытий жилых и общественных зданий согласно соответствующему ГОСТу должны изготовляться по рабочим чертежам и удовлетворять соответствующим техническим требованиям. Устанавливаются допускаемые отклонения от проектных размеров по длине, ширине, толщине, неплоскостности, разности длин диагоналей, смещению закладных деталей,толщине защитного слоя. Материалы, применяемые для приготовления бетона, должны удовлетворять требованиям стандартов на эти материалы и обеспечивать получение бетона заданных классов по прочности и марок по морозостойкости. Толщина защитного слоя бетона для рабочей арматуры должна соответствовать значению, указанному в рабочих чертежах. Нижняя поверхность панели перекрытия должна быть подготовлена под окраску, на ней не допускаются местные наплывы бетона, жировые и ржавые пятна, раковины и открытые воздушные поры, а стальные закладные детали и выпуски арматуры должны быть защищены от коррозии. Изучение состояния монтируемой или эксплуатируемой конструкции при работе в реальных условиях обеспечивается теми же методами, что и при контроле качества их изготовления, но зачастую возникает ситуация, когда для эксплуатируемого объекта отсутствует проектная и рабочая 81 документация. Тогда для восстановления последней требуется детальное изучение реальных условий работы системы. К подобной ситуации можно отнести и тот случай, когда необходимо определить работоспособность системы с учетом отклонения ее параметров от проектных. Повышенные требования предъявляются к методам обследования при анализе причин аварий вследствие повреждений конструкций в процессе монтажа и эксплуатации, а также катастроф - аварий, повлекших за собой человеческие жертвы. Проводимые обследования строительных конструкций и сооружений позволяют выявить наиболее характерные дефекты и разработать рекомендации по уточнению методов расчета тех или иных конструкций, улучшить их конструктивные схемы, технологию изготовления и монтажа. Эффективность методов обследования строительных конструкций зданий и инженерных сооружений может быть проиллюстрирована на примере разработки антисейсмических мероприятий при строительстве зданий в г. Газли. Основой для разработки этих мероприятий послужили материалы обследования построек после происшедшего в 1976г. в этом городе землетрясения. Здания, построенные с использованием разработанных антисейсмических мероприятий, при вновь происшедшем в 1984г. землетрясении получили лишь частичные повреждения. Происшедшее в 1985 г. землетрясение в г. Мехико разрушило более 500 зданий, в том числе около 40 высотных, тем не менее ряд высотных зданий, находящихся в сейсмоактивной зоне, не получили существенных повреждений, так как были построены с учетом конструктивных решений, снижающих сейсмические эффекты. При землетрясении в 1985г. в г. Кайраккуме (Ленинабадская обл.) пострадали от разрушения корпуса зданий первой очереди Коврового комбината, запроектированного в 50-е годы без учета антисейсмических мероприятий. Здания, построенные позже с учетом антисейсмических мероприятий, не получили повреждений. 82 История донесла до наших дней информацию о катастрофических землетрясениях, унесших большое число человеческих жизней в результате разрушения зданий и сооружений: при землетрясении в провинции Шань-си (Китай) в 1556 г. погибло 830 тыс. человек, в Лиссабоне (1755 г.) - 60 тыс. человек, в Мексике в 1908 г. - 100 тыс. человек, в Кванто (Япония) в 1923 г. - 140 тыс. человек. Основная задача испытаний сооружений заключается в установлении соответствия между реальным поведением строительной конструкции и ее расчетной схемой. Инженерные сооружения представляют собой достаточно сложные механические системы, состоящие из большого числа элементов, работающих в условиях сложного напряженно- деформированного состояния и образующих пространственные конструкции. Несмотря на существенное развитие современной строительной механики, на широкое привлечение к расчетам быстродействующей вычислительной техники, при рассмотрении конкретных объектов, в том числе и строительных конструкций, возникает необходимость идеализации расчетных схем, которые учитывают лишь главные, основные свойства, характеризующие состояние реальной конструкции. Кроме того, поведение строительных конструкций связано с рядом факторов, носящих случайный характер, например, прочностные характеристики даже такого однородного материала, как сталь, подвержены разбросу. Так, анализ пределов текучести для стали марки Ст.З, проведенный Н.С. Стрелецким, показал, что предел текучести может изменяться от 200 до 320 МПа. Еще больший разброс прочности имеют бетон и древесина. Значительной изменчивостью характеризуются нагрузки, действующие на строительные конструкции, здания и сооружения: собственный вес, ветер и снег, крановые нагрузки и др. Процесс изготовления отдельных элементов конструкций, их транспортировка и монтаж также влияют на возможность появления случайных отклонений от заданных размеров. Эти 83 отклонения регламентируются соответствующими технологическими допусками. Цель испытаний - выявление поведения инженерных сооружений, конструкций и материалов, из которых изготовлены их элементы. Испытания могут проводиться как в лабораториях на моделях, так и на реальных объектах. Проблемы повышения долговечности зданий и сооружений в условиях рыночной экономики являются весьма актуальными, поскольку здания изнашиваются быстрее там, где не выделяются средства на нормальную техническую эксплуатацию, а таких зданий становится все больше и больше как в промышленности, так и в коммунальном хозяйстве. Необходимость реконструкции зданий требует решения вопросов о надежности существующих конструкций зданий, выявлении в них резервов для увеличения нагрузок или, наоборот, дефектов, снижающих вероятность их безаварийной работы. Исходя из указанных проблем, на последующих занятиях будут приведены методики обследования зданий и сооружений, проведена систематизация основных причин возникновения дефектов, диагностика строительных конструкций. Вопросы для самоконтроля: 1. Кто из отечественных ученых внес большой вклад в развитие экспериментальных методов исследования? 2. Когда и где были проведены первые испытания пробной нагрузкой? 3. Что такое испытание сооружений? 4. По каким признакам может производиться классификация освидетельствований и испытаний? 5. Назовите стадии состояния и работы сооружений. 6. Какие требования предъявляются к строительным конструкциям и сооружениям? 7. Какие цели обследования и испытания сооружений? 8. Назовите основную задачу испытаний сооружений. |