Обследование и испытание зданий и сооружений. Обследование и испытание зданий и сооружений
 Скачать 1.64 Mb.
|
|
Раздел 4. Статические испытания строительных конструкций Главными требованиями, которым должны удовлетворять все без исключения строительные конструкции, здания и сооружения в целом, являются их надѐжность и безопасность. Под надѐжностью понимают способность конструкций сохранять необходимые эксплуатационные качества и полное соответствие своему функциональному назначению при безотказной работе на протяжении всего срока эксплуатации. Безопасность - это состояние, при котором в процессе эксплуатации зданий и сооружений отсутствует риск причинения вреда здоровью людей, животных, имуществу или окружающем среде. Надѐжность и безопасность, обеспечиваются соблюдением соответствующих нормативных требований на всех стадиях строительного процесса, начиная с проектирования, затем при изготовлении конструкций и деталей в соответствии с проектом, при производстве строительно-монтажных работ и, наконец, в процессе эксплуатации объекта. На стадии проектирования несущих строительных конструкций надѐжность обеспечивается расчѐтом по предельным состояниям, при условии, что все возможные предельные состояния для этой конструкции известны, изучены, методики расчѐта разработаны и апробированы; описание их, как правило, содержится в нормативной, справочной или учебной литературе. Всѐ, что связано с проектированием конструкций, являлось предметом изучения в дисциплинах конструкторского цикла, таких как металлические, железобетонные и каменные конструкции, а также конструкции из дерева и пластмасс. При создании новых образцов строительных конструкций, имеющих принципиальные отличия от известных аналогов, статическому и конструктивному расчету обычно предшествуют испытания их моделей или натурных образцов. 85 Цель таких испытаний заключается в получении объективной информации об особенностях напряжѐнно-деформированного состояния подобных конструкций, в выявлении наиболее важных, определяющих надѐжность предельных состоянии для каждой конкретной схемы нагружения. Полученные при этом сведения используют в последующем для уточнения известных или разработки новых методик расчѐта. Испытания такого рода носят исследовательский характер. Разработанные при этом теоретические методы расчѐта, в свою очередь, должны быть проверены экспериментально, получить подтверждение достоверности результатов и надѐжности рассчитанных на их основе строительных конструкций, зданий, сооружений. Без тщательной экспериментальной проверки никакая новая методика расчѐта не может считаться достоверной. Вес известные в настоящее время методы расчѐта строительных конструкций, изложенные в строительных нормах, сводах правил, руководствах и учебниках, опираются на результаты обширных экспериментально-теоретических исследований и опыт эксплуатации. Известно также, что для выполнения расчѐтов на прочность и расчѐтов по деформациям необходимо знать расчѐтные характеристики прочности и деформативности материала, из которого конструкция изготовлена. Нормированное значение этих характеристик вычисляют статистическими методами по результатам лабораторных испытаний стандартных образцов материала или по данным неразрушающего контроля в натурных условиях. 6.1. Задачи испытания строительных конструкций зданий и сооружений Испытания строительных конструкций – ответственная часть оценки соответствия конструкций установленным требованиям при различных видах контроля. Техника испытаний во многих случаях имеет индивидуальные особенности и поэтому может быть установлена лишь при 86 разработке конкретной методики в зависимости от объекта, цели испытания и используемых методов. Вместе с тем имеется ряд используемых испытателями общих положений преимущественно организационного характера. В зависимости от поставленных задач объектом испытания может быть: - строительная конструкция или изделие; - фрагмент конструкции (изделия); - узел сопряжения конструкций или примыкающих к этому узлу их фрагментов. Путем испытаний определяют признаки объекта – качественные и количественные характеристики его свойств. Количественную характеристику свойства называют параметром объекта. Основная цель испытаний состоит в определении признаков (параметров) объекта, характеризующих его качество, т.е. совокупность свойств, обусловливающих пригодность объекта удовлетворять определенные потребности в соответствии с его назначением. В зависимости от целей, которые преследуют испытания, их можно разделить на следующие виды: 1. Научно-исследовательские испытания, проводят с целью экспериментальной проверки теоретических разработок в области развития общей теории и частных методик расчѐта при создании принципиально новых или усовершенствовании известных технических решений строительных конструкций. Результаты испытаний используют при разработке (совершенствовании) норм и правил проектирования, осуществления (изготовления, возведения) и эксплуатации конструкций, а также для разработки несерийных конструкций. 2. Контрольные испытания головных образцов строительных конструкций перед началом их массового изготовления (серийного выпуска) проводят в условиях конкретного производственного предприятия на одном опытном образце или опытной серии изделия. Цель испытаний – проверка возможности изготовления изделия по проектной документации (в том числе выявление 87 ошибок в последней) и получение параметров технологичности изделия; проверка соответствия опытного образца (опытной серии) установленным техническим требованиям; проверка возможности и эффективности применения предусмотренных техническими условиями методов испытаний для контроля соответствия изделия требования технического регламента. При этом изготовление опытного образца следует рассматривать как элемент испытаний. Результаты испытаний используют для принятия решения: - о возможности утверждения технической документации; - о необходимости доработки (корректировки) технической документации. Результаты испытаний могут быть также использованы для уточнения принятой при разработке расчетной схемы конструкции. 3. Сертификационные испытания проводятся специально аккредитованными независимыми испытательными строительными лабораториями (центрами); их цель - подтверждение заявленных изготовителем свойств продукции, их соответствия требованиям технических регламентов, проекта и ГОСТа. Результаты испытаний служат основанием для выдачи (или отказа в выдаче) сертификата соответствия на данную продукцию. 4. Периодические контрольные испытания проводят в процессе изготовления данного вида продукции с целью контроля качества изделий, его соответствия сертификату. Для контрольных испытаний, в отличие от сертификационных, используют «случайные» образцы продукции из общего массива. Количество образцов и периодичность испытаний устанавливают в соответствии с рекомендациями технического регламента, в зависимости от объѐма (в штуках) выпускаемых изделий. 5. Экспертные испытания проводят, как правило, в натурных условиях эксплуатируемых зданий и сооружений, необходимость в них может возникнуть при оценке надѐжности конструкции после усиления или в случае изменения 88 эксплуатационных условий (величины или схемы приложения нагрузки, способа опирания и т. п.). К экспертным могут быть отнесены также приѐмочные испытания, которые проводят для совокупной оценки качества проектного решения и строительных работ при возведении сложных уникальных конструкций, например крупных мостов, зрительских трибун больших спортивных сооружений, большепролѐтных пространственных конструкций покрытий и т. п. 6. Специальные испытания проводят при расследовании причин аварий, других чрезвычайных обстоятельств, связанных с разрушением или повреждением конструкций, при оценке их остаточной работоспособности и т. п. При проведении испытаний следует, как правило, использовать стандартизованные методы. Испытания (измерения) необходимо проводить с помощью аттестованных средств, с привлечением специалистов, освоивших методику и правила эксплуатации приборов (установок). Массив информации, полученной в результате испытаний, необходимо проанализировать с целью выявления грубых ошибок, которые должны быть отброшены. Результаты многократных испытаний, если это предусмотрено методикой, необходимо обработать методами математической статистики, вычислить среднее значение характеристики объекта и показатели ее изменчивости. Результаты обработки включают в протокол испытаний в виде таблицы или графика. Если это предусмотрено методикой, результаты испытаний сравнивают с контрольными нормативами. При оценке пригодности к эксплуатации конструкций в составе действующих сооружений важное значение имеют натурные испытания эксплуатируемых конструкций. Изменение технологического процесса реконструкции промышленных зданий часто сопровождается увеличением временных нагрузок на несущие элементы конструкций. В этом случае правильность проектных решений по реконструкции во многом определяется тем, насколько точно определены «истинные» резервы прочности несущих элементов здания с 89 учетом их фактических параметров и технического состояния. Неучтенные запасы, как правило, существуют, так как в практике проектирования принимаются условные модели, а большинство упрощений, допускаемых методикой расчета, идет в запас прочности конструкции. В общем случае для пространственной статически неопределимой конструкции усилия в каждом несущем элементе в большей или меньшей степени определяются нагрузками и воздействиями на другие элементы. Однако нередко при обследовании сооружения возникает довольно узкая задача – оценить состояние и резервы прочности отдельного конструктивного элемента. Часто это изгибаемый момент, в котором обнаружены дефекты, либо предполагается увеличение временных нагрузок. В этом случае для упрощения допускается рассматривать работу элемента с нагрузкой, приложенной непосредственно на него. По данным о деформациях и перемещениях из испытаний элемента пробной нагрузкой определяют исходные данные расчетной схемы. Уточнив граничные условия, определяющие связь этого элемента с другими конструкциями сооружения, можно рассчитать напряженно-деформированное состояние в обследуемом элементе конструкции на эксплуатационную нагрузку. В результате в исходную расчетную модель вводят поправки, например в форме коэффициентов опорных моментов, показывающих, на сколько действительные опорные моменты отличаются от расчетных для схемы с абсолютно жесткими опорами. Рассмотрим подробнее разновидности нагрузки при статических испытаниях. 6.2. Нагрузка и ее разновидности при статических испытаниях Испытательной называется нагрузка, прикладываемая к конструкции в процессе испытаний. В состав испытательной нагрузки входит собственный вес изделия, вес используемых загрузочных приспособлений и дополнительная переменная 90 нагрузка, передаваемая через эти приспособления или создаваемая ими. В процессе установки загрузочных устройств, при подготовке к испытанию проконтролировать нагрузку и поведение конструкции сложно, практически невозможно, поэтому основную часть должна составлять дополнительная переменная испытательная нагрузка, которая называется контролируемой. Эту нагрузку прикладывают порциями – ступенями по заранее составленной программе. Величина ее изменяется от нулевого значения до предельной разрушающей и контролируется в ходе испытаний с помощью различных технических средств. Для создания нагрузок при испытаниях используют: - штучные грузы; - сыпучие материалы; - емкости, наполненные водой; - пневматические подушки; - гидравлические и винтовые домкраты; - лебедки, тали, полиспасты. В настоящее время для загружения конструкций в качестве грузовых механизмов, как было отмечено ранее, используют домкраты, лебедки и тали. Чаще всего применяют, например, гидравлические домкраты ДГ - 200, ДГ - 100, ДГ – 50. Одной из основных частей гидравлического домкрата является насос, который включают в общий блок или устанавливают отдельно от него в виде насосной станции. В этом случае управление домкратом выполняют дистанционно, что более удобно и безопасно. Чтобы результаты испытаний были достаточно точными, желательно применять домкраты грузоподъемностью, не превышающей более чем в 2-3 раза ожидаемую разрушающую нагрузку. При излишне большой грузоподъемности домкратов разрушающая нагрузка достигается при малом использовании из мощности, когда показания манометров находятся в зоне менее стабильных и точных показаний. Кроме того, такие домкраты могут не обеспечить получение небольших ступеней 91 нагружения при подходе к нагрузке, вызывающей появление трещин. При больших прогибах конструкций к моменту разрушения может возникнуть необходимость перестановки домкратов, из-за того, что поршень подойдет к своему крайнему положению. В этом случае дальнейший его выход из цилиндра должен быть прекращен. Перестановка домкрата затягивает процесс испытания, повышает его трудоемкость, поэтому рекомендуется выбирать домкраты с достаточным ходом поршня, который обеспечит возможность разрушения испытываемой конструкции раньше, чем поршень приблизится на 50-70 мм к выходу из цилиндра. При меньшем значении этой величины возможен перекос оси поршня относительно оси цилиндра, что вызовет появление сил трения, не возникающих при тарировке. Последняя должна быть выполнена в комплексе со всей гидросистемой (насосной станцией, манометрами и др.) до применения в испытаниях. При статических испытаниях нагрузку имитируют также штучными и специальными грузами, сыпучими материалами, емкостями, наполненными водой и др. Возможно использование гирь, металлических отливок, поковок, бетонных и железобетонных блоков, а при наличии непротекаемых емкостей – воды. Предварительно все крупные грузы взвешивают и маркируют. Длина штучных грузов не должна превышать 1/6 пролета испытуемой конструкции, зазоры между грузами по высоте должны быть не менее 50 мм. Загружать конструкцию штучными грузами следует от опор к середине пролета, соблюдая симметричность их расположения. Погрешность нагрузки, принятой в испытаниях, должна быть не более 5 % от контрольной. В качестве сыпучих материалов используют песок, гравий, щебень, керамзит, руду, которые загружаются в ящики без дна (установленные на конструкции). Вдоль пролета балочных конструкций размещают не менее двух ящиков, а вдоль пролетов конструкций, работающих в двух направлениях, - не менее четырех. Зазоры между ящиками 92 должны составлять не менее 0,1 пролета конструкции и не менее 250 мм. При полевых испытаниях применять гигроскопические материалы не рекомендуется. Для снижения трудоемкости испытаний и уменьшения необходимого количества штучных грузов используют рычажные устройства и приспособления с соотношением плеч рычага от 1:2 до 1:10. Во избежание появления горизонтальной составляющей приложенной нагрузки после каждого этапа загружения конструкции рычаг приводят в горизонтальное положение. При испытании строительных конструкций нагрузки на них располагают по такой схеме, которой будет соответствовать максимальное значение силовых факторов для наиболее ответственных элементов сооружения (конструкций). Схема распределения испытательной нагрузки зависит в основном от статической схемы конструкции. При испытаниях разрезных балочных плит нагрузку прикладывают в направлении поперек пролета, а ширину загружаемой полосы принимают равной 1,5L в каждую сторону от расчетного сечения. Перед проведением эксперимента необходимо установить величину испытательной нагрузки и область конструкции, к которой она прикладывается. По величине испытательная нагрузка должна быть эквивалентна проектной нагрузке по внутренним усилиям или перемещениям расчетных сечений. В соответствии с методикой расчета по предельным состояниям, выбирая величину испытательной нагрузки, следует ориентироваться на проектные значения расчетной или нормативной нагрузки в зависимости от задач испытаний. Испытание сосредоточенными нагрузками позволяет существенно сократить время эксперимента, уменьшить величину общей нагрузки, а следовательно, снизить трудоемкость, обеспечить наилучший контроль за величиной нагрузки и исследуемыми параметрами. Если при испытании балочной плиты заменить равномерно распределенную проектную нагрузку полосовой (т.е. сосредоточенной в расчетной схеме), можно снизить в два раза значение нагрузки 93 в целом при эквивалентности по максимальному изгибающему моменту. На практике все нагрузки при статических испытаниях можно условно разделить на распределенные и сосредоточенные. Равномерно распределенную нагрузку можно реализовать на практике, на основе применения: - сыпучих материалов; - мелко- и крупноштучных грузов; - системы загружения водой, воздухом. Сосредоточенную нагрузку можно обеспечить в полевых и лабораторных условиях на основе: - подвешивания грузов; - системы распределительных устройств; - системы натяжных устройств; - гидравлических и винтовых домкратов. При этом, в зависимости от задач испытаний и вида конструкции, испытательная нагрузка по величине может быть: 1. Частью нормативной нагрузки (при уточнении расчетной модели несущего элемента). 2. Полной временной нагрузкой в одном из сочетаний (испытания конструкций I и II категорий трещиностойкости для проверки условий их наступления). 3. Суммой нормативной временной нагрузки и веса недостающих частей здания (испытания в период возведения здания). 4. Расчетной временной нагрузкой (приемочные испытания уникальных конструкций). 5. Больше расчетной (приемочные испытания с нагрузкой, больше проектной). 6. Разрушающей (заводские испытания серийно выпускаемой продукции). Подвешивание грузов является самым простым, но и наиболее громоздким способом создания сосредоточенных нагрузок. Преимуществом его по сравнению с другими рассматриваемыми ниже способами является то, что при 94 подвеске грузов действующее усилие не меняется при деформациях испытываемых элементов. Для подвески грузов к нижним концам вертикальных тяг (чаще всего остальных тросов) крепятся или горизонтальные площадки, или загрузочные ящики. Замена подвешенных грузов натяжными приспособлениями создает следующие преимущества: - отпадают трудоемкие работы по взвешиванию и перемещению грузов; - направление действующих усилий может быть не только вертикальным, но и горизонтальным и наклонным; - прикладываемые усилия легко регулируются; - требуемые устройства компактны, и работа с ними даже в наиболее стесненных условиях не вызывает затруднений. Натяжные устройства не обеспечивают, однако, строгого постоянства (во времени) приложенных усилий. При длительной выдержке нагрузки развитие пластических деформаций, как в испытываемом объекте, так и в самих натяжных устройствах (главным образом в их соединениях) сопровождается некоторым падением созданного натяжения, что требует периодических подтяжек. На действующие усилия влияют также и колебания температуры, обусловливающие небольшие изменения длины передающих усилия тяг. Для определения и контроля значений приложенных сил в «цепь» натяжного устройства должен быть включен динамометр или заменяющий его динамометрический элемент (например, стержень с наклеенными на нем тензорезисторами). Для передачи усилий используют обычно тросы, натягиваемые талями с полиспастами, лебедками или домкратами. Основным требованием, предъявляемым к внешним воздействиям при статических испытаниях, является их стабильность во времени и возможность надежного контроля их значений. В лабораторных условиях при испытании моделей и образцов материалов применяется: 1. Стандартное прессовое оборудование. 95 2. Испытательные машины: - машины с жестким нагружением, где задается режим деформирования; - машины с мягким нагружением, где задается закон изменения силовой нагрузки (этот тип машин является предпочтительным). При статических испытаниях нагрузка должна прикладываться к объекту постепенно, без рывков и ударов, с тем, чтобы влиянием сил инерции можно было бы пренебречь. Нагрузки и нагрузочные устройства должны удовлетворять следующим основным требованиям: - давать возможность четкого определения усилий в испытуемом объекте; - быть по возможности транспортабельными и не требовать значительной затраты времени для их приложения и снятия; - при испытаниях с длительной выдержкой должна быть обеспечена стабильность нагрузок, т.е. ее постоянство во времени. Схема загружения конструкции должна обеспечить возникновение в исследуемых элементах необходимых напряжений и деформаций. Однако при этом следует учитывать реальные возможности и планируемую стоимость испытаний. Стоимость трудоемкости и продолжительность испытаний могут быть существенно уменьшены при расположении нагрузки собственно на сооружении. Выбор элементов для испытания При приложении нагрузки к сооружению в работу вовлекаются все его конструктивные элементы или лишь отдельные их совокупности, ближайшие к месту загружения. Так, нагрузка, приложенная к проезжей части моста в любом месте по длине его пролета, обусловливает появление внутренних сил во всех элементах поясов и решетки несущих ферм; не включаются в работу лишь отдельные так называемые "нулевые" стержни. При испытаниях подобного рода сооружений нескольких положений нагрузки бывает 96 достаточно для обеспечения интенсивной работы всех главнейших элементов. Задача выбора элементов при назначении программы испытаний сводится в данном случае к решению вопроса, где именно целесообразнее размещать измерительные приборы для оценки работоспособности и со- стояния сооружения в целом. С иным положением приходится иметь дело в большинстве объектов промышленного и гражданского строительства, составленных обычно из многочисленных однотипных элементов в определенном их сочетании. Так, например, в многоэтажном промышленном здании каркасного типа нагрузка, приложенная на небольшом участке какого-либо из перекрытий, передается на фундаменты через ближайшие ригели и колонны; колонны и ригели, удаленные на несколько пролетов от места загружения, почти не вовлекаются в работу. Слабо или совсем не деформируются примыкающие ненагруженные плиты того же перекрытия, и практически совершенно не работают перекрытия других этажей. При исследованиях подобного рода сооружений выбор элементов для испытания связан непосредственно с выбором места приложения нагрузки. При этом руководствуются следующими соображениями: 1) количество загружаемых элементов должно быть минимальным, во избежание чрезмерных затрат времени и средств, необходимых для проведения статических испытаний: 2) испытаниями должны быть охваченывсе основные виды несущих элементов исследуемой конструкции; в первую очередь испытывают элементы, работающие наиболее интенсивно, и элементы с обнаруженными в них дефектами и повреждениями, надлежащая работоспособность которых сомнительна; 3) отбирают элементы с возможно более четкой схемой статического опирания и закрепления; при прочих равных условиях желательно выбирать элементы, свободные от дополнительных связей с примыкающими частями сооружения, 97 которые могут вносить трудноучитываемые искажения в работу исследуемых элементов. При отборе образцов серийного изготовления для их контрольных испытаний исходят из следующего. Для суждения о качестве изделий рассматриваемой партии должны быть испытаны наилучшие и наихудшие образцы. Отбор их для статических испытаний производится на основании осмотра, контроля неразрушающими методами и предварительной вибрационной проверки. Усредненная оценка дается по результатам испытания образцов в состоянии, наиболее характерном для большинства изделий данной партии. Схемы загружения Нагрузочная схема уточняется одновременно с выбором элементов для испытания, поскольку эти задачи взаимосвязаны. Выбранная схема распределения нагрузок должна обеспечить появление в исследуемых элементах необходимых напряжений и деформаций, достаточных для выявления определяемых характеристик, но при этом следует учитывать имеющиеся реальные возможности (наличие определенных видов загрузочных приспособлений) и стоимость испытания. Последнее очень существенно, поскольку уменьшение требуемой нагрузки упрощает и удешевляет процесс проведения испытаний и позволяет укладываться в более короткие сроки при нагружении и разгрузке. В качестве отдельных примеров ниже приведены схемы испытания разрезной плиты (рис.6.1), неразрезной балки (рис.6.2) и полигональной фермы (рис.6.3) с соответственно равномерно распределенной и сосредоточенной нагрузками. Для испытания многопролетных неразрезных плит следует загрузить интересующий пролет и все остальные через один, что создает наиболее неблагоприятные условия работы конструкции. Длину загружаемой полосы по направлению, перпендикулярному пролету, принимают равной 3L. Схемы загружения балок зависят от конструкции перекрытия, количества пролетов и устройства опор. 98 Рис. 4.1. Схема испытания монолитной разрезной плиты а - фактическая нагрузка, в натурных условиях; б - эквивалентная распределенная нагрузка (I вариант испытания); в - эквивалентная сосредоточенная нагрузка (II вариант испытания) Рис. 4.2. Схема испытания многопролетной неразрезной балки а - схема балки; б - линия влияния изгибающего момента при нагружении балки в полевых условиях; в, г - эквивалентное загружение пяти и трех пролетов распределенной нагрузкой; д, е - эквивалентное загружение сосредоточенной нагрузкой трех и одного пролета Рис. 4.3. Схема испытания полигональной фермы а, б, в - фактическое загружение в натурных условиях; г, д, е - эквивалентное загружение фермы сосредоточенной нагрузкой по нижнему поясу 99 Примером приложения сосредоточенных нагрузок может служить простейший случай нагружения конструкции на временном стенде (рис.6.4). К испытуемой балке прикладывается с помощью домкрата 3, тяг 2, поперечных траверс 1 сосредоточенная сила. Естественно, что экспериментально создать идеализированную сосредоточенную нагрузку невозможно, но если ее рассредоточить на площадке длиной, составляющей 1/20 отпролета балки, то разность в величинах моментов составит менее 3%, а прогибов - 5%. Силовая траверса 4 передает усилие на анкеры 5. Рис..4.4. Схема приложения сосредоточенной нагрузки Схема нагружения железобетонной балки представлена на рис.6.5. Металлические фермы 2 располагаются по обеим сторонам испытываемой балки 1. С помощью продольных траверс 5 нагрузка передается от домкрата на две точки балки. Домкрат 4 опирается в верхний узел фермы через траверсу 3. На опоры металлической фермы передается лишь собственный вес балки и фермы. Рис. 4.5. Схема крепления шин в теле бетона 100 В случае стационарного стенда схема нагружения сосредоточенными силами балки 5 представлена на рис. 6.6. Нагрузка от домкрата 2 передается через продольные траверсы 5. С помощью поперечной траверсы 1 и анкера 4 реакция передается на основание 6. При нагружении отдельных конструкций необходимо предусматривать мероприятия, которые препятствуют потере устойчивости заданного положения объекта. Существует много способов приложения распределенной нагрузки. Рис. 4.6. Схема испытания на стационарном стенде Наиболее универсальный прием связан с использованием штучных грузов. На рис. 6.7 представлены схемы создания нагрузки на балку 2 путем установки кирпичных или бетонных столбиков (схема а) и металлических грузов (схема б). Рис. 4.7, а Схемы приложения распределенных нагрузок Рис. 4.7, б Схемы приложения распределенных нагрузок 101 При испытании балок (рис. 6.8)имеющих малую ширину пояса 5, используется дополнительное устройство в виде вспомогательной балки 5, которая одновременно обеспечивает устойчивость положения испытуемого объекта. При использовании штучных грузов 4 можно создавать нагрузки, действующие по произвольному закону изменения по длине конструкции, расположенной на опорах. Однако такой способ загружения является достаточно громоздким. Рис. 4.8. Схема передачи нагрузки на верхний пояс балки с использованием рычажной системы Ширина каждого столбика не должна превышать 1/6 пролета испытуемой конструкции, между столбиками должен быть зазор не менее 50 мм, что исключает возможность соприкосновения верхних кромок столбиков при изгибе конструкции. При загружении конструкций с горизонтальной поверхностью (рис. 6.9) можно использовать воду 2. Для этого устраивается легкое ограждение 1, на поверхность конструкции укладываются защитные полотнища из брезента 3, а затем помещается емкость из водонепроницаемого материала 4. Этот способ обладает существенными достоинствами: • возможность точного определения значений нагрузок по высоте столба воды, • плавность загрузки и разгрузки, 102 • соблюдение заданного скоростного режима загрузки и разгрузки. Загрузка осуществляется подачей воды из водопроводной сети, а разгрузка - откачкой воды насосами или с помощью сифона. Недостаток данного способа заключается в том, что использовать его можно лишь при положительной температуре. Равномерно распределенную нагрузку можно создать, используя давление воздуха. Испытание плит под давлением воздуха используется для статических испытаний готовой продукции на заводах железобетонных изделий. Равномерно распределенная нагрузка, действующая на поверхность плиты, создается повышением давления в прилегающих к детали воздухонепроницаемых плоских мешках (камерах) из клеенки или тонкой резины. Рис. 4.9. Схема загружения конструкции водой Для этого на поверхность конструкции укладываются воздухонепроницаемые мешки, помешенные в защитные брезентовые чехлы. Над мешками создается жесткий навес, а затем с помощью сжатого воздуха в мешках обеспечивается необходимое давление с помощью компрессора. При испытании сосудов применение сжатого воздуха запрещено, так как в случае разрушения сосуда возможно разрушение окружающих конструкций и гибель людей. Допускается использовать сжатый воздух в том случае, когда испытания проводятся в замкнутых боксах. Распределенная нагрузка может также имитироваться по схеме сосредоточенных нагрузок. При 10%-ной погрешности по 103 моментам в середине пролета при равномерно распределенной нагрузке она может быть заменена тремя силами. Обеспечение 5%-ной погрешности требует приложения 4 сосредоточенных сил по длине пролета. Число необходимых сил существенно снижается, если считать их приложенными на некотором малом конечном участке. Для имитации распределенной нагрузки (рис. 6.10) для балки системой сосредоточенных сил, можно воспользоваться передачей усилий с помощью ряда рычагов. Рис. 4.10. Схема приложения сосредоточенных сил для балки системой сосредоточенных сил можно воспользоваться передачей усилий с помощью ряда рычагов Все представленные эквивалентные схемы испытания экономичны по трудозатратам и стоимости, а также удобны как для контроля за испытательной нагрузкой, так и для автоматизации испытаний. При проведении статических испытаний необходимо предусмотреть рациональное размещение приборов. Приборы устанавливают для получения информации о характере деформирования и повреждениях, вызванных приложением нагрузки определенной величины. Все конструкции, реперные устройства и приборы на время испытаний должны быть защищены от атмосферных осадков, ветра и непосредственного воздействия солнечных лучей. Испытания следует проводить только при положительной температуре воздуха. Перед началом нагружения конструкции производят детальный обмер всех ее элементов и соединений, составляют исполнительные 104 чертежи. Для предварительно напряженных конструкций измеряют их выгиб после окончания монтажа всех устройств, примененных для испытания. Проверку расположения и сечения арматуры, а также толщины плит, требующую пробивки отверстий или иных нарушений целостности конструкции, производят после испытания. До начала испытания конструкцию тщательно обследуют, чтобы выявить дефекты (трещины, раковины, искривления осей и др.), которые отмечают и заносят в ведомость дефектов. После установки и нумерации приборов составляют исполнительный чертеж схемы испытания с указанием места расположения всех приборов и их порядковых номеров. При испытании должны определяться величины прогибов конструкций, углов поворота опорных сечений (консольных участков), появление первых трещин, их развитие, ширина раскрытия при возрастании нагрузки, смещение (втягивание) проволочной арматуры без анкеров. При наличии необходимой аппаратуры рекомендуется измерять деформации волокон, (удлинение, укорочение) в элементах и конструкциях, что может оказать помощь при выяснении схемы распределения усилий в конструкции, причин разрушения и т.п. Прогибы наиболее целесообразно измерять прогибомерами с бесконечным ходом системы. Смещение проволочной арматуры может измеряться с помощью индикаторов (с точностью 0,01 мм и ходом 10 мм). Прогибомеры и индикаторы устанавливают на неподвижных реперных устройствах, не связанных с испытываемой конструкцией, либо при небольших пролетах – на реберных металлических балках (уголках), свободно опирающихся по концам на неподвижное основание или на опоры испытываемой конструкции. Такое опирание позволяет исключить влияние просадки опор на измерение прогибов. Прогибомеры и индикаторы могут также крепиться к самой конструкции. В этом случае проволока прогибомера или индикатор должны соответственно присоединяться, привязываться или упираться в неподвижное реперное 105 устройство. Для учета и исключения влияния возможной просадки опор, а также внесения температурных поправок следует во всех случаях устанавливать приборы не только в пролете конструкции, но и у каждой опоры. Повороты опор измеряют клинометрами или двумя индикаторами, установленными на определенном расстоянии друг от друга в пределах опоры. Процесс деструкции, проявляющийся в большей или меньшей степени в зависимости от вида материала и уровня нагружения, можно зарегистрировать, используя акустические методы. Измерительные приборы устанавливают в зонах с наибольшими ожидаемыми значениями деформаций, перемещений, на участках возможных разрушений. Количество приборов, необходимых для исследования определенной области конструктивного элемента, зависит от типа приборов, требуемой точности результатов, конкретных задач эксперимента. Ультразвуковой импульсный метод и метод акустической эмиссии позволяют зарегистрировать даже самые незначительные структурные изменения в строительном материале при нагружении, а так как всегда микроразрушения предшествуют микроразрывам, то, регистрируя малые нарушения сплошности, возможно предсказать уровень статической нагрузки, при которой начнется образование неконтролируемых силовых трещин. Загружение конструкции проводится поэтапно. Ступени нагружения устанавливаются в зависимости от задач ис- пытаний в пределах 0,05-0,1 от расчетной испытательной на- грузки. Допускается проведение испытаний с не-одинаковыми ступенями нагружения. Отсчеты по приборам снимаются на каждом этапе нагружения сразу же после приложения нагрузки и несколько раз на выдержке нагрузки. Выдержка нагрузки прекращается, когда последующие отсчеты по всем приборам оказываются равными предыдущим. По-казания приборов фиксируются в журнале испытаний. Форма ведомостей результатов измерений различных параметров должна иметь графы с теоретическими значениями измеряемого параметра, а 106 также колонки, в которых производится полевая обработка показаний приборов. После каждого этапа нагружения проводят осмотр поверхности конструкции. Для обнаружения вновь появившихся трещин и регистрации увеличения длины трещин, образовавшихся ранее, рекомендуется протирать исследуемый участок быстро испаряющейся жидкостью. При этом трещины будут наблюдаться как темные линии, так как испарение жидкости, попавшей в трещину, происходит медленнее. Обнаруженные трещины зарисовывают карандашом на поверхности конструкции (рядом с трещинами), на концах их делают засечки, которые помечают порядковым номером ступени нагрузки или величиной нагрузки при данной ступени. По окончании испытания трещины зарисовывают в виде развертки поверхности трещинообразования. Ширину раскрытия трещин можно измерять с помощью лупы. Измерения производят на поверхности конструкции в уровне расположения растянутой арматуры и в месте максимального раскрытия измеряемой трещины. При испытании должны измеряться не менее 10 наиболее широко раскрывшихся трещин. Места измерения трещин отмечаются на поверхности конструкции, с тем, чтобы при разных ступенях нагрузки они производились в одних и тех же точках. По окончании испытания эти точки наносят на развертку поверхности конструкции с зарисовками трещин. Измерение местных деформаций (удлинений и укорочений арматуры, бетона) производят механическими тензометрами, а также с помощью электротензометрии. Продолжительность испытаний зависит в основном от времени выдержки конструкции под нагрузкой на каждой ступени нагружения. Так, деформации деревянных конструкций стабилизируются медленнее в сравнении с бетонными, а для последних это время значительно больше, чем для металлических. Средняя продолжительность испытаний для конструкций из различного материала составляет для металлических конструкций 1-2 часа, для железобетонных – 4-6 часов, для деревянных – 24-30 часов. 107 Если испытания конструкций проводятся не до полного разрушения, то отсчеты по приборам производятся после разгрузки конструкции и вторично через период времени, равный продолжительности испытаний. Пригодность изделий по результатам испытаний оценивают путем сравнения опытных значений определенных параметров с контрольными, вычисленными заранее. Экспериментальные исследования, испытания (в том числе и статические) являются одной из важнейших сторон практической деятельности инженеров и ученых-специалистов строительной отрасли. Экспериментально определяют различные физико-механические характеристики конструкционных строительных материалов, в том числе прочностные и деформационные, контролируют их соответствие проектным значениям в исполненных и эксплуатируемых строительных конструкциях. Важнейшее значение имеют испытания при создании принципиально новых образцов несущих строительных конструкций или усовершенствовании известных технических решений. Их надежность на стадии разработки и проектирования обеспечивается расчетами по предельным состояниям в соответствии с действующими строительными нормами и правилами. Вопросы для самоконтроля: 1. Каким требованиям должны удовлетворять все строительные конструкции? 2. Что является объектом испытания? 3. Перечислите классификацию испытаний. 4. С какой целью проводятся приемочные испытания? 5. Что такое испытательная нагрузка? 6. Что используют для создания нагрузок при испытаниях? 7. Перечислите оборудование и машины, применяемые в лабораторных условиях при испытании моделей и образцов. 108 8. Какие существуют способы приложения распределенной нагрузки? 9. Назовите достоинства использования воды при загружении конструкции с горизонтальной поверхностью. |