СТАТЬИ

УДК 624.058
С.Н.САВИН, доктор технических наук
И.В.СИТНИКОВ, инженер
И.Л.ДАНИЛОВ, кандидат физико-математических наук

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА МОНОЛИТНОГО ЖЕЛЕЗОБЕТОНА КОНСТРУКЦИЙ В ПОСТРОЕЧНЫХ УСЛОВИЯХ

Широкое развитие монолитного домостроения в России, особенно за последние 10-15 лет потребовало создания мобильных диагностических комплексов, способных проводить экспресс-оценку качества бетона непосредственно в построечных условиях. При этом на первое место были поставлены требования по «интегральности» такого рода оценок и выявлению влиянии тех или иных «дефектов» непосредственно на работу и несущую способность элемента или конструкции. Естественно, что такой подход не позволяет довольствоваться данными детерминистских оценок прочности, осуществляемых традиционными методами /1/, например, по ГОСТ 17624-87, а требует разработки новых методик и средств.

Опыт обследования монолитных железобетонных конструкций непосредственно на строительных площадках показывает, что требования контролирующих органов зачастую формальны и приводят к неоправданным затратам на дополнительное усиление конструкций без должного обоснования такого рода решений. Так, зачастую выявленные дефекты монолитных железобетонных колонн, например, локальные участки плохо провибрированного бетона, которые мало влияют на несущую способность элемента, становятся причиной масштабных проектов усиления с применением металлических или железобетонных обойм. И наоборот, традиционная диагностика не позволяет выявить серьезных нарушений технологии бетонирования в зимних условиях или ряд скрытых дефектов. Конечно, отбор кернов является наиболее надежным методом выявления дефектов, но из-за своей трудоемкости и точечного характера использования, может применяться в ограниченных объемах.

В этой связи предлагается целый комплекс оригинальных методов и технических средств, позволяющих получать интегральные прочностные характеристики конструкций и их отдельных элементов. Это волновые методы диагностики, основанные на анализе микроколебаний и скорости упругих волн различного частотного диапазона в материале строительных конструкций. По сравнению с традиционным подходом рассматриваются протяженные измерительные сечения – от десятков сантиметров до нескольких метров, что позволяет оценивать не только качество бетона в точке измерения, но и состояние всего элемента или конструкции.

Наибольшее распространение при определении прочностных характеристик материалов строительных конструкций получили следующие методы:

• метод проходящей волны;
• метод поверхностной волны;
• метод резонанса поперечного сечения.

Метод проходящей волны заключается в возбуждении продольной волны с помощью точечного импульсного источника и измерении времени пробега волны до точки установки приемника. Этот метод позволяет непосредственно определять скорость продольной волны в материале конструкции.
Время пробега волны, как правило, определяют в виде разности моментов вступления ударного импульса и сейсмического сигнала на приемнике.

Метод поверхностной волны заключается в возбуждении на поверхности конструкции волн и измерении их фазовой скорости. На поверхности однородного полупространства возникает Релеевская волна, скорость которой связана со скоростью продольной волны. Ее фазовая скорость может быть определена по сдвигу фаз колебаний в двух точках, расположенных на одной линии с источником волны или по сдвигу времени синфазных колебаний в этих точках. Основным преимуществом метода поверхностной волны является возможность испытаний при одностороннем доступе к конструкции, однако он более сложен в реализации, т.к. при интерпретации полученных результатов приходится по сути дела решать так называемые обратные задачи, что требует разработки нескольких вариантов расчетных моделей /2/.

Метод резонанса поперечного сечения заключается в возбуждении и регистрации колебаний в поперечном сечении обследуемой конструкции с последующим вычислением спектра Фурье колебаний (определяют частоту максимума пика спектра Фурье, соответствующего основному тону продольных свободных колебаний поперечного сечения конструкции) и определением кажущейся скорости продольной волны в конструкции. Остальные методы основаны на сходных принципах и реализуются в зависимости от специфики стоящих задач.
Основным преимуществом предложенного подхода является возможность его реализации путем использования разработанного нами универсального измерительного комплекса. Блок-схема измерительного комплекса приведена на рис.1, а его вид на рис. 2 и 3.


А1...Аn — пьезоэлектрические акселерометры;
К1...Кn — соединительные кабели;
У1...Уn — согласующие усилители;
АЦП — аналого-цифровой преобразователь;
ПК — персональный компьютер
Рис. 1. Блок-схема измерительного комплекса


Рис. 2. Универсальный 10-канальный измерительный комплекс


Рис. 3. 4-канальный измерительный комплекс

Заложенные в измерительном комплексе возможности позволяют определять динамические характеристики конструкций зданий и сооружений с помощью высокочувствительных датчиков /3/, способных регистрировать низкочастотные микроколебания. Естественно, что это расширяет возможности диагностики и позволяет решать задачи по оценке качества выполнения преднапряженного железобетона в построечных условиях или эффективности тех или иных методов усиления.

Используя тот факт, что модуль упругости является функцией прочности бетона и его напряженного состояния в момент измерения приращений напряжений и деформаций, можно по частоте собственных колебаний конструкции судить о степени «преднапряжения». При этом следует иметь ввиду, что модуль упругости зависит от «преднапряжения» только при условии, что оно не ниже, чем 0,33 предела прочности бетона. Таким образом, у заказчика появляется уникальная возможность проконтролировать силу фактического натяжения арматуры – параметр наиболее часто вызывающий сомнения, см. рис. 4 и 5.

Рис. 4. Пример выполнения преднапряженного железобетона в построечных условиях.
В технологическом отверстии видна заделка концов натянутых тросов


Рис. 5. Заделка преднапряженной арматуры с помощью концевиков

На практике производится определение собственной частоты колебаний исследуемого элемента или конструкции, которая затем сравнивается с расчетным значением этого параметра, теоретически полученным для модели с проектной прочностью бетона и проектным натяжением арматуры. Измерения проводятся путем регистрации отклика конструкции на внешнюю импульсную нагрузку и последующим расчетом спектра Фурье ее свободных колебаний. Для перекрытия такая внешняя нагрузка может создаваться прыжком оператора (рис. 6).

Рис. 6. Возбуждение колебаний перекрытий прыжком оператора
В последнее время нами выполнен ряд исследований по оценке эффективности усиления монолитных железобетонных конструкций элементами внешнего армирования из углеволокна. На примере монолитных железобетонных колонн, усиленных полотнами из углеволокна оценивалось изменение жесткости элемента в результате выполненных мероприятий. Одновременно методом резонанса поперечного сечения колонны проверялись ранее полученные результаты по прочности бетона в конструкциях.
Фотографии, иллюстрирующие работу на объекте с использованием универсального измерительного комплекса, приведены на рис. 7 и 8. Технические характеристики применявшейся аппаратуры приведены в таблице 1.



Рис. 7. Возбуждение колебаний колонны ударом деревянного бруса


Рис. 8. Возбуждение резонансных колебаний поперечного сечения ударом молотка

Таблица 1
Технические характеристики аппаратуры, входящей в измерительный комплекс

№ п/п Название и обозначение по блок–схеме измерений Тип, производитель Технические характеристики
1. Пьезоэлектрический акселерометр, А1...Аn КД–13, MMFR, Германия.
КД-20, MMFR, Германия.
КД-35, MMFR, Германия.
Чувствительность 5 мВ/м/с2; резонансная частота 15 кГц.
Чувствительность 10 мВ/м/с2; резонансная частота 10 кГц.
Чувствительность 5 мВ/м/с2, резонансная частота 20 кГц.
2. Соединительный кабель, К1...Кn АВК-6, Россия. Пониженный кабельный эффект
3. Усилитель, У1...Уn 00028, ROBOTRON, Германия. Режимы измерения: ускорение, скорость, перемещение; усиление от 1 до 10000 со ступенчатым изменением с шагом 10 дБ; частотный диапазон от 1 Гц до 20 кГц; количество каналов измерения – 10; питание – от сети 220 В или аккумулятора 12 В постоянного тока
4. Аналого-цифровой преобразователь, АЦП E440, L-card,
Россия.
Количество каналов – 16, разрядность – 14 бит, диапазоны измеряемых сигналов – +/-5.12 В, 2.56 В, 1.024 В; максимальная частота преобразования – 400 кГц/канал
5. Персональный компьютер, ПК NOTEBOOK. Оснащен программным обеспечением ввода и обработки измерительной информации
6. Ударник Молоток весом 100 грамм, оборудованный площадкой для крепления акселерометров. Деревянный брус весом 10 кг, оснащенный амортизирующей прокладкой


Результаты диагностики показали, что во всех случаях «жесткость» колонн, усиленных элементами внешнего армирования из углеволокна оказалась выше, чем «жесткость» неусиленных колонн. Прочность бетона колонн, определенная по методу резонанса поперечного сечения свидетельствовала о значительном разбросе значений осевой прочности, как для колонн, назначенных к усилению, так и для неусиленных. Кроме того, выделялась существенная анизотропия осевой прочности бетона по высоте колонны. В ряде случаев для сечений в уровне 0,4 м получены значения осевой прочности 19 МПа, а для сечений в уровне 1,0 м – 31 МПа на одной и той же колонне.

Все это подтверждает высказанные выше сомнения в целесообразности назначения мероприятий по усилению только по данным экспресс-оценки прочности бетона в отдельных точках. Необходим глубокий анализ и понимание достоверности таких результатов, что возможно только при сопоставлении данных, полученных различными методами. Специалисты проводят такой анализ, используя адаптированные конечно-элементные модели несущих конструкций или их фрагментов. Такой подход позволяет оценить главный параметр – несущую способность и понять, в какой степени выявленные дефекты оказывают на него влияние.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. ГОСТ 18353 - 79. Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов.
2. Пособие по расчетно-экспериментальной оценке сейсмостойкости общевойсковых зданий и сооружений (к ВСП 22-01-95) МО РФ, М., 2004, - 105с.
3. Техническая диагностика прочностных характеристик зданий и сооружений на основе анализа пространственных форм их собственных колебаний. –М., МО, 2006 г. – 141с.

Через представительство НИКЦИМ вы можете получить необходимые консультации по приобретению, модернизации испытательного оборудования, а также по вопросам, касающимся испытаний строительных конструкций и технических обследований зданий и сооружений.