Экспериментально-теоретические методы диагностики и оценки параметров качества железоб е тонных бал ок
На правах рукописи
АБАШИН Евгений Геннадьевич
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
ДИАГНОСТИКИ И ОЦЕНКИ параметров КАЧЕСТВА
ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ БАЛОК
05.23.01 – Строительные конструкции,
здания и сооружения
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Орёл – 2011
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Орловский государственный аграрный
университет» и ФГБОУ ВПО «Госуниверситет – УНПК»
| Научный руководитель: | доктор технических наук, профессор Коробко Андрей Викторович |
| Официальные оппоненты: | доктор технических наук, доцент Турков Андрей Викторович кандидат технических наук, доцент Прокуров Максим Юрьевич |
| Ведущая организация: | ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова» |
Защита состоится 23 декабря 2011 года в 16-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.182.05 при ФГБОУ ВПО «Госуниверситет – УНПК» по адресу: 302030, г. Орёл, ул. Московская, 77, ауд. 426.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Госуниверситет – УНПК» и на информационном сайте – www. gu-unpk.ru.
Автореферат разослан 22 ноября 2011 года.
Учёный секретарь
диссертационного совета Никулин А.И.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Проблема контроля качества строительных конструкций всегда имела актуальное значение, поскольку качество является фактором безопасности и надежности как отдельной конструкции, так и всего здания или сооружения в целом. Существующая система выборочного разрушающего контроля железобетонных конструкций балочного типа, регламентируемая ГОСТ 8829-94, когда из партии однотипных конструкций выбираются несколько и испытываются методом статического нагружения до разрушения, является трудоёмкой, ненадежной и экономически невыгодной. Поэтому разработка новых неразрушающих методов диагностики и контроля параметров, характеризующих качество изготовления конструкции и ее работоспособность в здании или сооружении, весьма актуальна.
Особое значение 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 трещиностойкости конструкций под новые технологические нагрузки. Применение разрушающих методов в этом случае становится невозможным.
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. Однако в строительной отрасли эти технологии мало используются. В частности, отсутствует стандарт и какие-либо другие государственные нормативные документы 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 в настоящее время. На многих предприятиях сократилась численность служб ОТК, не соблюдается полная технологическая схема пооперационного контроля, снизились масштабы и роль государственного контроля. Основными причинами сложившейся ситуации являются относительно низкая заинтересованность научных кругов в развитии неразрушающих методов диагностики и контроля качества строительных конструкций; отсутствие надежного и удобного в эксплуатации приборного комплекса и средств контроля для проведения динамических испытаний; либеральная законодательная база по ответственности производителей за низкое качество конструкций, и, как следствие, отсутствие у производственников мотивации в повышении качества выпускаемых строительных конструкций.
Целью диссертационного исследования является развитие теоретических и методологических основ диагностики и контроля параметров качества железобетонных конструкций балочного типа с использованием способов их статического и динамического нагружения.
Для реализации этой цели необходимо решить следующие задачи:
1) исследовать теоретически и экспериментально возможности применения метода статического и вибрационного нагружения железобетонных балок для их диагностики и контроля параметров качества с помощью интегральных физических характеристик – максимального прогиба от действия равномерно распределенной нагрузки и основной (или первой резонансной) частотой колебаний;
2) на основе теоретических и экспериментальных данных построить аналитические зависимости, связывающие площадь (или диаметр) продольной арматуры, начальный модуль упругости бетона железобетонных балок:
– с их максимальным прогибом от действия равномерно распределенной нагрузки;
– с основной частотой поперечных и продольных колебаний в ненагруженном состоянии и логарифмическим декрементом затухания колебаний;
– с параметрами трещиностойкости и прочности;
3) разработать статический и динамические способы определения площади продольной арматуры и начального модуля упругости бетона с использованием различных статических и динамических параметров балок, а также методики для их практической реализации;
4) провести серию экспериментов на натурных железобетонных балках с переменными значениями площади продольной арматуры и начального модуля упругости бетона с целью проверки теоретических результатов и апробации предложенных способов контроля и методик их практической реализации.
Объектом исследования являются железобетонные балки без предварительного напряжения продольной арматуры с переменными площадью сечения арматуры и начальным модулем упругости бетона, а предметом исследования – статические и динамические методы диагностики и контроля отдельных параметров, характеризующих качество железобетонных балок.
Методы исследования. В работе использовались классические методы теории железобетонных конструкций, экспериментальные методы исследования балок – статический (разрушающий) и вибрационный (неразрушающий). Обработка экспериментальных результатов осуществлялась с помощью методов математической статистики. Обработка виброграмм осуществлялась с помощью ЭВМ.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
– получены аналитические зависимости для определения площади арматуры и начального модуля упругости бетона по величине максимального прогиба балок при их статическом нагружении равномерно распределенной нагрузкой, а также по основной (или первой резонансной) частоте поперечных и продольных колебаний в ненагруженном состоянии;
– разработаны способ определения площади (диаметра) продольной арматуры и способ определения начального модуля упругости бетона с использованием метода статического нагружения конструкций и 2 способа определения указанных параметров с использованием вибрационного метода;
– разработаны методики практической реализации предложенных способов диагностики;
– при проведении экспериментальных исследований выявлены новые физические эффекты, характеризующие взаимосвязь контролируемых параметров железобетонных балок с различными характерными стадиями поведения конструкций в процессе деформирования.
Практическая ценность полученных результатов заключается в следующем:
– разработанные способы диагностики и контроля отдельных физико-механических и геометрических параметров железобетонных балок и методики их практической реализации могут быть использованы как при выходном контроле качества готовых конструкций на предприятиях строительной индустрии, так и при диагностике конструкций, находящихся в условиях эксплуатации при обследовании и реконструкции зданий и сооружений; на два из них поданы заявки на выдачу патента;
– полученные теоретические и экспериментальные результаты используются в учебном процессе ОрелГАУ при изучении студентами строительных специальностей курса дисциплины «Обследование зданий и сооружений», а также при проведении научно-исследовательских работ студентами и аспирантами вуза.
Достоверность теоретических положений и практических результатов, полученных в работе, подтверждается использованием классических методов теории сооружений и теории железобетонных конструкций, сопоставлением теоретических и экспериментальных данных, а также сопоставлением с результатами экспериментальных исследований других ученых.
На защиту выносятся:
– математические модели, связывающие площадь продольной арматуры, начальный модуль упругости бетона с жесткостью упругих железобетонных балок при использовании статического метода испытаний, а также математические модели, связывающие указанные параметры с основной (или первой резонансной) частотой колебаний при использовании вибрационного метода испытаний в режиме возбуждения поперечных и продольных колебаний;
– способы определения площади (диаметра) продольной арматуры и начального модуля упругости бетона с использованием метода статического нагружения конструкций и вибрационного метода, а также методики их практической реализации;
– 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.
– новые эмпирические функциональные связи площади (диаметра) продольной арматуры и начального модуля упругости бетона с параметрами прочности и трещиностойкости железобетонных балок.
Апробация работы. Материалы и основные результаты, изложенные в диссертации докладывались и обсуждались на: V-й Международной научно-практической конференции «Задачи архитектурно-строительного комплекса в повышении качества жизни и устойчивого развития сельских территорий» (21-23 апреля 2009 года, г. Орел); III-й Международной выставке-интернет-конференции, памяти профессора В.Г. Васильева «Энергообеспечение и строительство» (18-20 ноября 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); VII-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);
II-й Молодежной научно-практической конференции «Инновационные технико-технологические решения для строительной отрасли, ЖКХ и сельскохозяйственного производства» (13 апреля 2011 года, г. Орел).
Научная работа, написанная по теме диссертации, является победителем регионального конкурса «Лучшая научно-исследовательская работа молодых ученых – 2011».
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ, подано две заявки на выдачу патента на изобретение.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация изложена на 138, страницах машинописного текста и состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, включающего 103 наименования и 2 приложения объемом 26 страниц. В работе приведены 15 таблиц, 11 рисунков.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении излагается общая характеристика диссертационной работы, приводится обоснование её актуальности, формулируются цель и задачи исследования, приводится оценка научной и практической значимости результатов проведенных исследований, указываются основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе приводится аналитический обзор литературы по методам неразрушающих испытаний, используемых при производстве и эксплуатации строительных конструкций. Акцент делается на проблему развития и применения вибрационных методов для диагностики и контроля качества железобетонных конструкций.
Проведенный анализ известных неразрушающих методов контроля качества показывает, что большинство из них позволяют определять физико-механические и прочностные характеристики железобетонных конструкций лишь в локальных местах с относительно невысокой точностью. Они также непригодны для интегральной оценки прочности, жесткости, трещиностойкости конструкций и величины предварительного напряжения арматуры. Дискретные физические методы диагностики основаны на корреляционной зависимости между прочностью бетона и каким-либо косвенным параметром материала, что является существенным недостатком. Кроме того, неоднородность материалов железобетонных конструкций также снижает точность определения интересующих характеристик. Существующие методы контроля диаметра рабочей арматуры, основанные на измерении магнитных и индукционных характеристик арматуры в бетоне, очень неточны. Появление новых методов контроля этого параметра совместно с известными повысят информативность проводимых испытаний и достоверность получаемых результатов.
Интегральные вибрационные методы позволяют преодолеть некоторые из указанных выше недостатков. По динамическим параметрам конструкции (форма, амплитуда и частота колебаний, логарифмический декремент затухания колебаний), можно с достаточно высокой степенью достоверности определить жесткость, прочность, трещиностойкость, величину предварительного напряжения арматуры в железобетонной балке.
Впервые для определения предельных состояний вибрационный метод был использован в ЛенЗНИИЭП и Оргтехстрое Главзапстроя Министерства строительства СССР в 1963 году, где усилиями ученых Н.А. Крылова,
К.А. Глуховского, А.М. Полищука и др. были разработаны необходимые стенды и средства измерения, а также методика для массового контроля готовых конструкций. Сущность этого метода заключается в определении начальной жесткости поперечного сечения подвергшихся испытанию конструкций по периодам их свободных колебаний и сравнении ее с жесткостью, полученной предварительным расчетом. Недостатками этого метода являются невозможность оценить пригодность испытываемых изделий по трещиностойкости и определить значение величины предварительного напряжения арматуры в них.
Дальнейшее заметное развитие вибрационный метод получил в Тбил
ЗНИИЭП. Научным коллективом во главе с Э.А. Сехниашвили была разработана методика контроля, сущность которой заключается в сравнении параметров колебаний контролируемых конструкций с соответствующими параметрами однотипных эталонных изделий, изготовленных при строгом соблюдении всех технологических операций. Данный метод позволяет определять интегральные характеристики конструкций, однако отличается большой трудоемкостью, вызванной необходимостью изготовления множества эталонных изделий с разными величинами предварительного напряжения арматуры, что является существенным недостатком.
Большая работа в области развития методов неразрушающего контроля качества железобетонных конструкций велась в прежние годы и ведётся в настоящее время в ведущих научно-исследовательских институтах и вузах нашей страны: НИИЖБ (Клевцов В.А., Бердичевский Г.И., Коревицкая М.Г.), МИСИ (Лужин О.В., Злочевский А.Б., Волохов В.А., Почтовик Г.Я.), ТбилЗНИИЭП (Сехниашвили Э.А., Саркисов Ю.С., Туркия Б.Ш.), ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский гостехуниверситет» (Г.В. Слюсарев).
За последние годы большой вклад в развитие вибрационного метода контроля качества строительных конструкций внес творческий коллектив под руководством В.И. Коробко в составе А.В. Туркова, А.А. Павленко,
В.И. Полякова, А.П. Юрова, Д.И. Красильникова и др. Ими разработан метод интегральной экспресс-оценки параметров качества строительных конструкций, который позволяет определять интегральные характеристики готовых изделий не косвенно (по графикам), а по расчетным формулам. Ими опубликован целый ряд научных статей, учебной и методической литературы, получены многочисленные авторские свидетельства и патенты на изобретения по разработанным способам и методам контроля качества готовых строительных конструкций по их динамическим характеристикам, усовершенствованы конструкции испытательных стендов с целью повышения точности определения экспериментальных параметров.
Однако, несмотря на большое разнообразие подходов к диагностике строительных конструкций и контролю их качества с помощью статического и динамического методов, остаются недостаточно исследованными зависимости динамических характеристик железобетонных конструкций балочного типа (частот свободных продольных и поперечных колебаний и логарифмического декремента затухания колебаний, прочности и трещиностойкости) от диаметра продольной арматуры и от класса бетона.
Во второй главе на основе известных соотношений теории расчета железобетонных балок выводятся аналитические зависимости, связывающие площадь продольной арматуры и начальный модуль упругости бетона с максимальным прогибом балок от действия статически приложенной равномерно распределенной нагрузки:
(1)
(2)
Здесь использованы общеизвестные в теории железобетонных конструкций обозначения. Используя эти зависимости как математические модели, предлагается статический способ определения площади арматуры и начального модуля упругости бетона по максимальному прогибу балок.
В основу вибрационного метода определения рассматриваемых параметров железобетонных балок положена фундаментальная закономерность, установленная В.И. Коробко, которая функционально связывает максимальный прогиб w0 упругих балок, находящихся под действием равномерно распределенной нагрузки q, c их основной (или первой резонансной) частотой колебаний. Эта закономерность формулируется следующим образом: произведение максимального прогиба упругой однопролетной балки постоянного сечения с произвольными граничными условиями, нагруженной равномерно распределенной нагрузкой q, на квадрат ее основной (или первой резонансной) частоты колебаний с точностью до размерного множителя q/m есть величина постоянная, равная 1,279 4/:
w02 4/q/m, (3)
где m – погонная масса балки. Подставляя в аналитические зависимости статического метода (1) и (2) вместо максимального прогиба основную (или первую резонансную) частоту колебаний, выраженную из закономерности (3), получим аналитические зависимости
(4)
, (5)
которые связывают площадь арматуры и начальный модуль упругости бетона с основной частотой колебаний балок.
С целью изучения влияния площади арматуры и начального модуля упругости бетона на прочностные и динамические параметры железобетонных балок и сопоставления в дальнейшем теоретических результатов с экспериментальными был проведен расчет экспериментальных балок, выполненных в опалубке типовой перемычки 2ПБ-26-4 с различными коэффициентами армирования и различными классами бетона по прочности.
В строительной механике известны соотношения, связывающие основную частоту поперечных колебаний с основной частотой продольных колебаний. В диссертационной работе А.П. Юрова при проведении аналитической обработки результатов эксперимента показано, что частоту продольных колебаний шарнирно опертой по концам железобетонной балки пр следует определять как для балки с жестко защемленными концами. Используя эти рекомендации, получены соотношения
(6)
(7)
в которых искомые параметры железобетонных балок определяются по основной частоте продольных колебаний.
Математические модели (1), (2), (4)…(7) можно применять для упругой стадии работы железобетонных балок.
В исследованиях Э.А. Сехниашвили были построены аналитические зависимости, связывающие исследуемые нами параметры с логарифмическим декрементом затухания колебаний, поскольку он функционально связан с частотами колебаний балок.
Используя полученные математические модели, разработаны два способа определения начального модуля упругости бетона и площади поперечного сечения продольной арматуры с использованием метода статического нагружения конструкций и два способа определения указанных параметров с использованием вибрационного метода. Суть этих способов заключается в экспериментальном определении максимального прогиба контролируемых балок при их статическом нагружении и частот свободных поперечных (или продольных) колебаний в ненагруженном состоянии. Используя известные геометрические и физические параметры железобетонных балок, по формулам (1), (2), (4)…(7) можно определить площадь продольной арматуры при известном начальном модуле упругости бетона и начальный модуль упругости бетона при известной площади продольной арматуры.
Динамические способы определения класса бетона и диаметра продольной арматуры выгодно отличаются от способа статического нагружения меньшей трудоемкостью, потому что отпадает необходимость загружения конструкции равномерно распределенной нагрузкой.
В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований 20-ти железобетонных балок без предварительного напряжения продольной арматуры. Были изготовлены 2 партии железобетонных балок в опалубке типовых перемычек типа 2ПБ-26-4: одна партия изготовлена с одинаковым армированием, но с разными начальными модулями упругости бетона, другая партия – с одинаковым начальным модулем упругости бетона, но с разными диаметрами продольной арматуры. Условные обозначения экспериментальных балок и соответствующие им величины класса бетона и диаметра арматуры приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Условные обозначения железобетонных балок
с указанием диаметра арматуры и класса бетона
| Б-1 | Б-2 | Б-3 | Б-4 | Б-5 | Б-6 | Б-7 | Б-8 | Б-9 | Б-10 |
| B15 ds = 8 | B15 ds = 10 | B15 ds = 14 | B15 ds = 16 | B15 ds = 18 | B7,5 ds = 12 | B15 ds = 12 | B20 ds = 12 | B22,5 ds = 12 | B30 ds = 12 |
Целью экспериментальных исследований является проверка опытным путем полученных математических моделей, разработка методик реализации предложенных новых способов определения начального модуля упругости бетона и площади продольной арматуры, анализ выявленных физических эффектов и взаимосвязей контролируемых в работе параметров железобетонных балок с показателями прочности и трещиностойкости.
Эксперимент проводился на лабораторной базе Архитектурно-строи-тельного института ФГБОУ ВПО «Госуниверситет – УНПК» с использованием испытательного стенда, оснащенного стандартным набором оборудования, приборов и средств измерений. Функциональная схема стенда представлена на рисунке 1.
1 – контролируемая балка; 2, 3 – подвижная и неподвижная шарнирные опоры; 4 – ударное устройство – возбудитель собственных поперечных
колебаний; 5 – виброанализатор спектра колебаний «Вибран-2.0»;
6 – силовые опоры
Рисунок 1 – Функциональная схема испытательного стенда
при возбуждении поперечных колебаний балки
При проведении испытаний выполнялись следующие технологические операции: установка контролируемой конструкции на опорах; закрепление на ней приборов и устройств, необходимых для возбуждения и регистрации колебаний и измерения прогибов; возбуждение собственных колебаний с помощью механического удара и определение основной частоты колебаний конструкции в ненагруженном состоянии; нагружение конструкции равномерно распределенной нагрузкой ступенями и измерение максимального прогиба; измерение частот продольных и поперечных колебаний на каждой ступени нагружения.
При обработке результатов измерений применялись методы математической статистики. Анализ статистических данных показал, что относительная погрешность измерений прогиба и основной частоты колебаний достаточно мала и сопоставима с погрешностью измерений используемых приборов.
По полученным в ходе эксперимента данным были построены графики следующих зависимостей (рисунки 2 и 3):
– для каждой партии балок –
= 1(В), 
= 2(B), w0 = 3(B), qcrc = 4(B), qcr = 5(B),
= 6(ds), 
= 7(ds), w0 = 8(ds), qcrc = 9(ds), qcr = 10(ds);
– для каждой балки –
= 13(q), 
= 14(q), w0 = 15(q),
= 16(w0), 
= 17(w0), 
поп = 18(q).
Результаты анализа представленных на графике экспериментальных зависимостей убедительно показывают, что основные теоретические положения, сформулированные во второй главе, являются верными: качественное совпадение теоретических и экспериментальных результатов хорошее, количественные же оценки контролируемых параметров удовлетворяются с определенной погрешностью. Был выявлен ряд физических эффектов, которые нуждаются в пояснении.
Функциональные зависимости fпоп – w0 и fпр – w0 существенно отличаются друг от друга. Первая из них является монотонно убывающей с заметным переломом в момент появления первых нормальных трещин в средней части пролета. После этого перелома и до момента разрушения частота колебаний меняется в пределах 5 Гц. Вторая кривая на низших ступенях нагружения сначала возрастает, а затем с появлением микроразрушений в растянутой зоне резко убывает до момента появления визуально заметных нормальных трещин в середине сечения балки. Далее следует новый перелом и уже при работе балки в условиях упругопластического и пластического изгиба частота продольных колебаний меняется менее интенсивно. Такое поведение балки объясняется существенным изменением картины напряженного состояния в ее сечениях при переходе от условий упругой работы конструкции к упругопластическим. Поскольку вторая зависимость не выражается одной монотонной функцией, то следует рекомендовать её использование либо без нагружения конструкции (балка работает в упругой стадии), либо с нагружением конструкции контрольной нагрузкой, когда начинается процесс трещинообразования.
а) б)
в) г)
д) е)
а) графики fпоп – w0, б) графики fпр – w0, в) fпоп – q, г) графики fпр – q,
д) графики – q, (нижний – для упругой стадии работы конструкции,
верхний – для упруго-пластической); е) графики w0 – q
Рисунок 2 – Графические результаты экспериментальных
исследований балки Б-8-1
Аналогично ведут себя кривые fпоп – q и fпр – q, повторяя те же физические эффекты, что и кривые на схемах а) и б).
Достаточно строгие и монотонные зависимости fпоп – w0 и fпоп – q свидетельствуют о том, что параметры жесткости, прочности и трещиностойкости железобетонных конструкций действительно могут контролироваться частотами поперечных колебаний в нагруженном состоянии, что было ранее подтверждено экспериментально в работах Д.И. Красильникова и В.И. Полякова при исследовании плит дорожного покрытия.
Анализ зависимости w0 – q показывает, что она разбивается на два характерных практически прямолинейных участка: участок упругой и начало упругопластической работы (при появлении первых тещин) и участок упругопластической работы (после появления первых трещин). Перелом прямолинейных участков совпадает с началом стабилизации собственной частоты продольных колебаний балки в нагруженном состоянии. И этот физический эффект, очевидно, может в дальнейшем быть использован для диагностики железобетонных конструкций.
Анализ поведения логарифмического декремента затухания колебаний показывает, что с ростом нагрузки этот параметр ведет себя нестабильно, изменяясь скачкообразно. Характерные переломы зависимости 
поп – q не удалось идентифицировать к каким-либо конкретным физическим проявлениям в конструкции. Такие же результаты были ранее получены в экспериментальных исследованиях Г.В. Слюсарева с предварительно напряженными плитами типа ПК. Из этого следует, что логарифмический декремент затухания колебаний не может эффективно использоваться для диагностики состояния железобетонных балок.
Результаты статических и динамических экспериментальных исследований балок серии 2ПБ-26-4, включая стандартные испытания, рекомендуемые ГОСТ 8829-94, с различными диаметрами рабочих арматур представлены на рисунке 3, результаты экспериментальных исследований балок с различными классами бетона представлены на рисунке 4.
Анализ этих результатов позволяет сделать следующие выводы:
1 Экспериментально подтверждено: начальный модуль упругости (класс) бетона, площадь (диаметр) продольной арматуры функционально связаны с основной частотой поперечных и продольных колебаний балки в ненагруженном состоянии и максимальным прогибом балки от равномерно распределенной нагрузки. Эти функциональные зависимости легли в основу разработки статического и динамического (вибрационного) способов диагностики железобетонных балок, находящихся в условиях эксплуатации.
2 Выявлены и графически построены функциональные связи между жесткостью, трещиностойкостью и прочностью железобетонной балки с их начальным модулем упругости и диаметром арматуры. Эти зависимости близки к линейным, что приводит к идее разработки теоретического аппарата для приближенного определения по эмпирическим формулам жесткости, трещиностойкости и прочности железобетонных балок по классу бетона и диаметру арматуры.
а)
б)
а) при использовании свободных поперечных колебаний;
б) при использовании свободных продольных колебаний.
Рисунок 3 – Графические зависимости стандартных параметров качества железобетонных балок и их динамических характеристик
от диаметра арматуры
а )
б)
а) при использовании свободных поперечных колебаний;
б) при использовании свободных продольных колебаний
Рисунок 4 – Графические зависимости стандартных параметров качества железобетонных балок и их динамических характеристик
от начального модуля упругости бетона
3 Свободная частота продольных колебаний является более информативным динамическим критерием, позволяющим судить о начальном модуле упругости (классе) бетона, по сравнению с аналогичной частотой поперечных колебаний, потому что при изменении класса бетона от В7,5 до В30 экспериментальная частота поперечных свободных колебаний увеличивается на 20%, а продольных почти на 50%. Кроме того, поскольку основная частота свободных продольных колебаний более чем на порядок выше основной частоты поперечных колебаний, то ее определение будет осуществляться с большей точностью, что приведет к повышению точности при оценке параметров качества железобетонных конструкций.
4 Фактическая частота поперечных колебаний балки, изготовленной из бетона класса В30 значительно ниже теоретической (более чем на 16%). Это может быть вызвано наличием скрытых дефектов или отклонением конструкции от проектных характеристик.
5 При использовании статического метода наблюдается большая погрешность определения искомых характеристик по сравнению с динамическим методом.
6 С ростом диаметра арматуры экспериментальная (аппроксимирующая) прямая монотонно приближается к теоретической; при малых диаметрах арматуры отклонения оказываются достаточно высокими. С ростом диаметра арматуры это различие уменьшается, и экспериментальные данные приближаются к теоретическим. Данный физический эффект можно объяснить преобладанием упругих свойств арматуры над упругопластическими свойствами бетона при увеличении диаметра продольной арматуры.
При использовании расчетных формул для определения основной частоты колебаний и максимального прогиба балок возникает значительная погрешность, следовательно, и при определении по формулам диаметра продольной арматуры и начального модуля упругости бетона погрешность будет высока. Поэтому на основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований нами предложены динамический и статический способы определения диаметра продольной арматуры и начального модуля упругости бетона в упругих железобетонных конструкциях балочного типа, основанные на использовании эталонных изделий.
Суть данных способов заключается в изготовлении партии из 6…8 эталонных изделий, диаметр арматуры или начальный модуль упругости бетона которых постепенно возрастает в требуемом диапазоне, и проведении их испытаний по описанной методике. По полученным результатам строят аппроксимирующую функцию «контролируемая характеристика (класс бетона, площадь арматуры) – определяемая характеристика (частота колебаний, максимальный прогиб)».
Очевидным преимуществом разработанных способов является то, что эталонные конструкции не подвергаются разрушению и пригодны к эксплуатации без ограничений.
Для определения интегральных характеристик конструкции (жесткости, трещиностойкости и прочности) следует провести комплекс испытаний до разрушения эталонных изделий с целью построения графических зависимостей, показанных на рисунках 3, 4, и далее проводить испытания серийных изделий без разрушения, определяя прочность и трещиностойкость с помощью построенных аппроксимирующих функций.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
Обобщая результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:
1 Разработаны математические модели, связывающие величину максимального прогиба железобетонных балок, выполненных без предварительного напряжения продольной арматуры, и основной частоты поперечных и продольных колебаний с начальным модулем упругости бетона и площадью продольной арматуры.
2 На основе этих моделей разработаны статический и динамический способы определения площади продольной арматуры и начального модуля упругости бетона, а также методики практической реализации этих способов. На оба способа поданы заявки на выдачу патента в Патентный институт РФ.
3 Проведена большая серия исследовательских экспериментов по испытанию 20 железобетонных балок длиной 2,55 м с разным начальным модулем упругости бетона и одинаковом армировании и одним и тем же начальным модулем упругости бетона и разным процентом армирования:
– результаты экспериментов подтвердили и качественно, и количественно работоспособность полученных математических моделей и позволили доработать предложенные способы за счет использования эталонных конструкций;
– эксперименты показали, что динамический способ определения площади продольной арматуры и начального модуля упругости бетона эффективнее статического за счет меньшей его трудоёмкости; эффективнее также использование продольных колебаний, поскольку точность получаемых оценок повышается за счет измерения более высокой частоты, чем при использовании поперечных колебаний;
– по результатам эксперимента построены аппроксимирующие функции, связывающие значения параметров жесткости, трещиностойкости и прочности железобетонных балок с площадью продольной арматуры и начальным модулем упругости бетона; полученные зависимости носят линейный характер и их рекомендуется использовать в практических целях для диагностики состоянии балок.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
В изданиях рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ
1 Абашин, Е. Г. Определение площади поперечного сечения рабочей арматуры в железобетонных балках вибрационным методом [Текст] / Е. Г. Абашин // «Строительство и реконструкция». Орел: Госуниверситет – УНПК, 2011. – № 5. – С. 3–7. (0,3 п.л.)
2 Коробко, В. И. Способы определения площади поперечного сечения продольной арматуры и модуля упругости бетона в железобетонных балках по результатам статических и динамических испытаний [Текст] / В. И. Коробко, Е. Г. Абашин // «Строительство и реконструкция». Орел : Госуниверситет – УНПК, 2010. – № 2. – С. 23–25. (0,2 п.л. / 0,1 п.л. автора).
В других изданиях:
3 Абашин, Е. Г. Оценка физико-механических характеристик сборных железобетонных конструкций вибрационными методами / Е. Г. Абашин // Задачи архитектурно-строительного комплекса в повышении качества жизни и устойчивого развития сельских территорий : материалы V международной науч.-практ. конф. (21–23 апр. 2009 г., Орел). – Орел : ОГАУ, 2009. – С. 247–250. (0,2 п.л.).
4 Абашин, Е. Г. Применение ресурсосберегающих вибрационных методов контроля качества железобетонных конструкций / Е. Г. Абашин // Энергообеспечение и строительство : материалы III международной выставки-интернет-конференции, памяти профессора В.Г. Васильева (18–19 нояб. 2009 г., Орел). – Орел : ОГАУ, 2009. – С. 231–234. (0,2 п.л.).
5 Абашин, Е. Г. Преимущества использования вибрационных методов приемочного контроля качества железобетонных конструкций / Е. Г. Абашин, С. С. Володин // Инновационные технико-технологические решения для строительной отрасли, ЖКХ и сельскохозяйственного производства : материалы молодежной науч.-практ. конф. (17–18 марта 2010 г., Орел). – Орел : ОГАУ, 2010. – С. 22–24. (0,2 п.л. / 0,1 п.л. автора).
6 Абашин, Е. Г. Способ применения коэффициента нелинейных искажений при контроле качества железобетонных конструкций вибрационным методом / Е. Г. Абашин, В. П. Павликов // Строительство и архитектура XXI века: перспективы развития и инновации : материалы VII международной науч.-практ. конф. (23–24 нояб. 2010 г., Орел). – Орел : ОГАУ, 2010. – С. 308–311. (0,3 п.л. / 0,15 п.л. автора).
7 Абашин, Е. Г. Экспериментальные исследования железобетонных перемычек (балок) типа 2ПБ26-4-п без предварительного напряжения арматуры вибрационными методами / Е. Г. Абашин, С. С. Володин // Инновационные технико-технологические решения для строительной отрасли, ЖКХ и сельскохозяйственного производства : материалы II молодежной науч.-практ. конф. (13 апр. 2011 г., Орел). – Орел : ОГАУ, 2011. – С. 14–19. (0,3 п.л. / 0,2 п.л. автора).
8 Абашин, Е. Г. Использование логарифмического декремента затухания колебаний при вибрационном контроле качества железобетонных ненапряженных конструкций балочного типа / Е. Г. Абашин // Инновационный путь развития строительства и архитектуры в агропромышленном комплексе России : материалы VIII международной науч.-практ. конф. (22–23 нояб. 2011 г., Орел). – Орел : ОГАУ, 2011. – С. 74–78. (0,3 п.л.).
9 Коробко, А. В. Способы определения площади поперечного сечения продольной арматуры и модуля упругости бетона в железобетонных балках по результатам динамических испытаний / А. В. Коробко, Е. Г. Абашин // Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения : материалы международных академических чтений (23-25 сент. 2010 г., Курск). – Курск, 2010. – С. 44–48. (0,3 п.л. / 0,15 п.л. автора).
10 Коробко, А. В. Определение модуля упругости бетона в железобетонных балках вибрационным методом [Текст] / А. В. Коробко, Е. Г. Абашин, А. П. Юров // Науч. изд. / Вестник отделения строительных наук. – Москва – Орел – Курск, 2011. – Вып. 15. – С. 100–103. (0,25 п.л. / 0,1 п.л. автора).
