Метод контроля модуля упругости бетона и площади рабочей арматуры в железобетонных балках

Актуальность работы. В настоящее время в Российской Федерации железобетонные конструкции являются наиболее распространенными при возведении промышленных и гражданских зданий [29]. Проблема контроля качества строительных конструкций всегда имела актуальное значение, поскольку качество является фактором безопасности и надежности как отдельной конструкции, так и всего здания в целом. Существующая система выборочного разрушающего контроля железобетонных конструкций балочного типа, регламентируемая ГОСТом 8829−94 [19], когда из партии однотипных конструкций выбираются несколько и испытываются методом статического нагружения до разрушения, является весьма трудоемкой из-за необходимости нагружения конструкций, экономически невыгодной из-за невозможности использовать по назначению разрушенные конструкции и недостаточно надёжной. Поэтому разработка новых неразрушающих методов контроля строительных конструкций, лишенных указанных недостатков, весьма актуальна.

Особую значимость эта проблема приобрела в настоящее время, поскольку большое количество зданий и сооружений реконструируются для новых технологических нужд. При проведении обследования железобетонных конструкций таких зданий и сооружений зачастую отсутствует какая-либо информация о физико-механических свойствах использованного бетона, армировании и другие сведения, необходимые для проверки прочности, жесткости и трещино-стойкости конструкций под новые технологические нагрузки. Применение разрушающих методов в этом случае становится невозможным.

При изготовлении железобетонных конструкций основным параметром, определяющим их качество является величина начального модуля упругости бетона, которая зависит от свойств используемого бетона и многих производственных факторов. При этом площадь поперечной арматуры является величиной известной. На завершающей стадии необходимо провести интегральную оценку модуля упругости бетона с учетом всех возможных дефектов, допущенных при изготовлении конструкций.

При контроле качества конструкций, стоящих в сооружении, площадь рабочей арматуры, как правило, неизвестна, а усредненную величину начального модуля упругости можно определить с использованием ультразвуковых методов путем многократных его измерений в приповерхностном слое.

Среди методов неразрушающего контроля качества особое место занимают вибрационные (резонансные) методы. Современный уровень теоретических знаний в области вибрационных технологий и экспериментальной механики достаточно высок, что позволяет эффективно использовать их в машиностроении [13]. Однако в строительной отрасли эти технологии мало используются. В частности отсутствует стандарт на применение вибрационных методов для контроля физико-механических параметров и оценки качества готовых строительных конструкций.

Необходимо также отметить ухудшение организации контроля качества железобетонных конструкций на заводах ЖБИ. Так, на многих предприятиях сократилась численность служб ОТК, не соблюдается полная технологическая схема пооперационного контроля, минимизирован государственный контроль.

Можно выделить основные причины сложившейся ситуации: относительно низкая заинтересованность научных кругов в развитии и разработки вибрационных методов для контроля качества строительных конструкций из-за отсутствия централизованного финансирования работ по этой проблемеотсутствие надежного и удобного в эксплуатации приборного комплекса и средств контроля для проведения динамических испытанийлиберальная законодательная база по ответственности предприятий-изготовителей за низкое качество конструкций, и, как следствие, отсутствие у производственников мотивации в повышении качества выпускаемых строительных конструкций.

В связи с указанными недостатками на первый план выходит проблема развития и совершенствования неразрушающих методов контроля качества и, в первую очередь, вибрационных методов, как наиболее перспективных. Решение данной проблемы связано с разработкой теоретических основ, изучением и уточнением закономерностей деформирования конструкций и взаимосвязей интегральных физических и конструкционных параметров, характеризующих качество изделий, с их различными динамическими параметрами.

Объектом исследования являются методы контроля железобетонных балок без предварительного напряжения продольной арматуры длинной до 3-х метров с переменными площадью сечения арматуры и начальным модулем упругости бетона, а предметом исследования — принципы, модели, алгоритмы, режимы и точностные характеристики метода неразрушающего контроля начального модуля упругости бетона и площади поперечного сечения рабочей арматуры в железобетонных балках при их изготовлении и эксплуатации.

Целью диссертации является повышение точности и снижение трудоемкости контроля начального модуля упругости бетона в ненапряженных железобетонных балках в процессе их изготовления и площади рабочей арматуры в балках, находящихся в сооружении в условиях эксплуатации.

Для реализации этой цели необходимо решить следующие задачи:

— разработать физические принципы контроля начального модуля упругости бетона и площади рабочей арматуры и на их основе построить математические модели в виде аналитических зависимостей, связывающих начальный модуль упругости бетона железобетонных балок и площадь рабочей арматуры с их максимальным прогибом от действия равномерно распределенной нагрузки и основной частотой поперечных или продольных колебаний в ненагруженном состоянии;

— разработать варианты метода контроля указанных физических и геометрических параметров железобетонных балок с использованием способов их статического и динамического нагружения;

— разработать алгоритмы определения начального модуля упругости бетона при известной площади поперечного сечения рабочей арматуры и площади рабочей арматуры при известном начальном модуле упругости бетона с использованием максимального прогиба балок под действием равномерно распределенной нагрузки и основной частоты их собственных поперечных и продольных колебаний в ненагруженном состоянии, обосновать режимы контроля;

— провести оценку погрешности определения контролируемых параметров балок по их максимальному прогибу и основной частоте колебаний;

— провести серию экспериментов на натурных железобетонных балках с переменными значениями площади продольной арматуры и начального модуля упругости бетона с целью проверки теоретических положений предложенного метода, математических моделей и его апробации;

— выполнить корректировку используемых математических моделей по результатам испытания эталонных конструкций;

— разработать методику практической реализации предложенного метода и дать рекомендации по его применению.

Методы исследования. В работе использовались классические методы теории железобетонных конструкций, методы анализа точности измерительных цепей, методы регрессионного анализа результатов экспериментальных исследований. Обработка экспериментальных результатов осуществлялась с помощью методов математической статистики.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1 Предложен и научно обоснован новый принцип неразрушающего контроля начального модуля упругости бетона и площади поперечного сечения рабочей арматуры в железобетонных балках, основанный на использовании полученных аналитических зависимостей, связывающих эти параметры с величиной максимального прогиба балок при их статическом нагружении равномерно распределенной нагрузкой, а также с основной частотой поперечных и продольных колебаний в ненагруженном состоянии, и учитывающих, в отличии от ранее известных зависимостей, все основные физические и геометрические параметры контролируемых конструкций.

2 Разработаны два варианта метода контроля начального модуля упругости бетона и площади рабочей арматуры по максимальному прогибу балок и их основной частоте поперечных и продольных колебаний и алгоритмы их реализации, позволяющие интегрально оценивать начальный модуль упругости бе7 тона на завершающем этапе изготовления конструкций и площадь рабочей арматуры в балках, находящихся в условиях эксплуатации в сооружении;

3 Предложен способ уточнения принятых математических моделей с сохранением основных геометрических и физических характеристик контролируемых балок на основе результатов экспериментальных данных, полученных при испытании эталонных конструкций, позволяющих адаптировать предложенный метод контроля к железобетонным балкам конкретного типа.

Практическая ценность полученных результатов заключается в том, что разработанный метод контроля начального модуля упругости бетона и площади рабочей арматуры в железобетонных балках и методики их практической реализации могут быть использованы при организации поточного выходного контроле качества готовых конструкций на предприятиях строительной индустрии, при входном контроле конструкций, поступающих на стройплощадку, а также при обследовании конструкций, находящихся в условиях эксплуатации.

Достоверность теоретических положений и практических результатов, полученных в работе, подтверждается использованием классических методов, теории железобетонных конструкций, экспериментальной механики, теории точности, сопоставлением теоретических и экспериментальных данных.

На защиту выносятся:

— математические модели, связывающие начальный модуль упругости бетона и площадь рабочей арматуры с максимальным прогибом упругих железобетонных балок при использовании статического метода контроля, а также математические модели, связывающие указанные параметры с основной частотой поперечных или продольных колебаний при использовании вибрационного метода контроля;

— метод контроля начального модуля упругости бетона и площади рабочей арматуры, алгоритмы и методики реализации его вариантов;

— результаты экспериментальных исследований двух серий железобетонных балок (20 штук), выполненных в опалубке типовой перемычки 2ПБ-26−4 с различными процентами армирования и начальными модулями упругости бетона;

— способ корректировки полученных математических моделей под конструкции определенного типа на основе испытания эталонных изделий.

Апробация работы. Материалы и основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на: У-й Международной научно-практической конференции «Задачи архитектурно-строительного комплекса в повышении качества жизни и устойчивого развития сельских территорий» (2123 апреля 2009 года, г. Орел) — Молодежной научно-практической конференции «Инновационные технико-технологические решения для строительной отрасли, ЖКХ и сельскохозяйственного производства» (17−18 марта 2010 года, г. Орел) — УП-й Международной научно-практической конференции «Строительство и архитектура XXI века: Перспектива развития и инновации» (23−24 ноября 2010 года, г. Орел) — Международных академических чтениях РААСН «Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения» (23−25 сентября 2010 года, г. Курск) — П-й Молодежной научно-практической конференции «Инновационные технико-технологические решения для строительной отрасли, ЖКХ и сельскохозяйственного производства» (13 апреля 2011 года, г. Орел).

Предложенный метод контроля начального модуля упругости и площади рабочей арматуры в железобетонных ненапряженных балках апробирован на заводе железобетонных изделий ОАО «Агропромстрой» (г. Орел). Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс в ФГБОУ ВПО «Орловский государственный аграрный университет» при изучении дисциплин «Обследование зданий и сооружений.

Научная работа, написанная по теме диссертации, является победителем регионального конкурса «Лучшая научно-исследовательская работа молодых ученых — 2011».

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ, подано две заявки на выдачу патента на изобретение.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация изложена на 143 страницах машинописного текста и состоит из введения, трех глав, основ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

Обобщая результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:

1 Разработаны математические модели, связывающие величину начального модуля упругости железобетонных балок, выполненных без предварительного напряжения продольной арматуры, и площадь рабочей арматуры с основной частотой поперечных и продольных колебаний балок в ненагруженном состоянии и максимальным их прогибом от действия статической равномерно распределенной нагрузки.

2 На основе этих моделей разработаны варианты метода контроля начального модуля упругости бетона и площади продольной арматуры с использованием основной частоты поперечных или продольных колебаний балок и их максимального прогиба, а также алгоритмы практической реализации метода.

3 Проведенные исследования относительной погрешности при использовании всех предложенных математических моделей показали:

— наименьшая погрешность до 5% получается у варианта с использованием продольных колебаний, что значительно лучше, чем при использовании известных ультразвуковых и механических методов;

— при использовании варианта возбуждения поперечных колебаний погрешность возрастает до 10%, что немного ниже получаемых погрешностей с известными методами;

— при использовании варианта статического нагружения погрешность колеблется от 13,5% до 16,7% с ростом модуля упругости бетона в исследуемом диапазоне, что сопоставимо с оценками модуля упругости, получаемыми известными методами;

— для контроля модуля упругости бетона целесообразно использовать всегда вариант возбуждения продольных колебаний, поскольку он дает наименьшую погрешность;

— вариант возбуждения поперечных колебаний рекомендуется использовать при обследовании конструкций в условиях эксплуатации, когда отсутствует доступ к торцам балок;

— вариант статического нагружения следует рекомендовать при обследовании балок в условиях эксплуатации зданий, когда с неё нельзя снять технологическую нагрузку;

— применение варианта метода при контроле площади рабочей арматуры при малых процентах армирования конструкции нецелесообразно.

4 Проведена серия исследовательских экспериментов по испытанию 20 железобетонных балок длиной 2,55 м с разным начальным модулем упругости бетона при одинаковом армировании и одним и тем же начальным модулем упругости бетона при разном армировании. При этом:

— результаты экспериментов подтвердили и качественно, и количественно работоспособность полученных математических моделей;

— эксперименты показали, что динамический способ контроля начального модуля упругости бетона и площади продольной арматуры эффективнее статического за счет меньшей его трудоёмкости и большей точностипри динамическом методе отпадает необходимость проведения операции нагружения конструкции, и точность определения контролируемых параметров в два раза выше.

— при использовании динамического способа контроля выявлено, что наиболее эффективным является способ с применением продольных колебаний за счет более высокой точности измерения частот звукового диапазона.

5 Разработан способ корректировки математических моделей для всех вариантов предложенного метода путем проведения серии пробных испытаний эталонных конструкций при освоении их выпуска на предприятиях строительной индустрии за счёт корректировки коэффициентов пропорциональности, входящих в соответствующие аналитические зависимости и принятые в теории железобетонных конструкций усредненными.

6 Разработана методика практической реализации метода и даны рекомендации по его применению на заводах-изготовителях.