Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет “Львівська політехніка”

Міністерство освіти і науки України

Сташук Павло Михайлович

УДК 624.012.35:620.179.17

автореферат

дисертації на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук

Удосконалення визначення тріщиностійкості залізобетонних конструкцій методом акустичної емісії

05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди

Львів-2003

Дисертація є рукописом.

Робота виконана на кафедрі “Будівельні конструкції та мости” Національного університету “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: Кандидат технічних наук, доцент КОВАЛЬ Петро Миколайович, Національний університет “Львівська політехніка”, доцент кафедри “Будівельні конструкції та мости”

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Барашиков Арнольд Якович, Київський Національний університет будівництва і архітектури, зав. кафедри “Залізобетонні і кам'яні конструкції”;

кандидат технічних наук, доцент Шмиг Роман Андрійович, Львівський державний аграрний університет, доцент кафедри “Будівельні конструкції”.

Провідна установа: Державний Науково-дослідний інститут будівельних конструкцій.

Захист відбудеться “24” жовтня 2003 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К35.052.11.у Національному університеті “Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів, вул.. С.Бандери, 12, ауд.226 головного корпусу.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” за адресою: м. Львів, вул. Професорська, 1.

Автореферат розісланий “23” вересня 2003 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради К35.052.11. Г.П. Петришин.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В Україні з 1 грудня 1997 року введені в дію “Нормативні документи з питань обстежень, паспортизації, безпечної та надійної експлуатації виробничих будівель і споруд”. Технічний стан будівель і споруд згідно з цими документами необхідно визначати за допомогою діагностики, яка здійснюється шляхом поєднання взаємозв'язаних та взаємодоповнюючих обстежувальних, розрахункових та аналітичних процедур. Залізобетонні конструкції схильні до крихкого руйнування, тобто до руйнування через розповсюдження дефектів типу тріщин. Процес руйнування при цьому не відбувається миттєво - від моменту утворення тріщини і до початку її критичного зростання минає певний час. Тому своєчасне виявлення таких дефектів є важливою задачею, і, разом з тим, складною проблемою.

Одним із перспективних методів у прогнозуванні ресурсу конструкцій і споруд є методи механіки руйнування, але застосування цих методів потребує знання координат розташування дефекту, його форми і розмірів, знання напруженого стану і механічних властивостей матеріалу в області дефекту. Тому використання методів механіки руйнування найбільш доцільне разом з інтегральними методами, які реагують на активізацію того або іншого дефекту за супутніми ознаками, наприклад, за випромінюванням пружних хвиль, викликаних переміщеннями дислокацій, появою їх небезпечних концентрацій у якому-небудь місці конструкції, виникненням і розвитком тріщин. До цієї групи необхідно в першу чергу віднести метод акустичної емісії (АЕ). Акустична емісія - це явище, що полягає у випромінюванні пружних хвиль у твердих тілах при їх деформації. Удосконалення методів технічної діагностики залізобетонних конструкцій за допомогою методу акустичної емісії є важливою та актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась відповідно до плану держбюджетної теми №6902/21 (№ держреєстрації 0102U001185) “Розробити методику технічної діагностики автодорожніх мостів з використанням методу акустичної емісії” від 1 березня 2002р з Державною службою автомобільних доріг України, та держбюджетної теми №6953 (№ держреєстрації 0103U001353) “Дослідження напружено-деформованого стану елементів мостових конструкцій методом акустичної емісії” від 2 січня 2003р з Державним дорожнім науково-дослідним інститутом ім. М.П.Шульгіна.

Метою роботи удосконалення визначення тріщиностійкості залізобетонних конструкцій методом акустичної емісії, а також створення банку експериментальних даних методики технічної діагностики бетонних та залізобетонних конструкцій з використанням методу акустичної емісії.

Задачі досліджень:

· дослідити процеси тріщиноутворення бетонних та залізобетонних конструкцій при різних типах роботи та на різних етапах навантаження;

· виявити закономірності процесу випромінювання АЕ бетонами різних складів при заданих умовах навантаження, його зв'язку з процесами тріщиноутворення;

· виявити зв'язок між випромінюванням АЕ та зміною НДС;

· розробити методику випробування та визначення стану натурних бетонних та залізобетонних конструкцій з використанням методу АЕ.

Об'єкт досліджень - бетонні і залізобетонні елементи будівельних конструкцій.

Предмет досліджень - бетонні зразки та залізобетонні балкові конструкції.

Методи досліджень передбачали використання експериментальних випробовувань бетонних і залізобетонних елементів з застосуванням, на базі діючих нормативів, спеціально розроблених пристроїв для забезпечення реєстрації прикладеного навантаження і сигналів АЕ. Використовувалися тензометричні (ЦТК-1) та ультразвукові (УК-14П) методи досліджень, а також метод АЕ (АКЕМ-1).

Наукова новизна отриманих результатів:

· методика випробування та визначення стану бетонних та залізобетонних конструкцій з використанням методу АЕ;

· комплексні експериментальні лабораторні дослідження роботи бетонних та залізобетонних конструкцій із використанням методу АЕ, які включають:

визначення напружень мікроруйнування R⁰_crc, мікротріщиноутворення R_crc, макротріщиноутворення за випромінюванням сигналів АЕ при стиску, згині та розколюванні бетонних зразків;

дослідження тріщиностійкості бетону за силовою схемою позацентрового розтягу дискових зразків та її зв'язок із параметрами АЕ;

аналіз процесу випромінювання АЕ при деформуванні бетону та арматури;

виявлення зв'язку параметрів АЕ - випромінювання із характеристиками тріщиностійкості та НДС залізобетонних конструкцій;

· дослідне застосування розробленої методики для оцінки стану конструкції із використанням методу АЕ на реальних об'єктах.

Практичне значення отриманих результатів полягає в розробці методики визначення стану бетонних та залізобетонних конструкцій за методом АЕ, та впровадження методу АЕ в систему неруйнівних методів дослідження натурних будівельних конструкцій.

Впровадження результатів роботи. Розроблена методика дослідження бетонних та залізобетонних конструкцій з використанням методу АЕ була застосована при дослідженні двох автодорожніх мостів через р.Західний Буг на Державному кордоні між Україною та Польщею, залізобетонного автодорожнього моста через р.Стара Ріка в с. Руське поле Закарпатської області, залізобетонного автодорожнього моста через р.Прут в с.Микуличин Івано-Франківської області, при випробуванні димової залізобетонної труби Яворівського державного гірничо-хімічного підприємства “Сірка”.

Особистий внесок здобувача:

· комплексні експериментальні дослідження бетонних та залізобетонних конструкцій із використанням як традиційних методів дослідження, так і методу АЕ;

· дослідне застосування розроблених методик оцінки стану конструкції із використанням методу АЕ на реальних об'єктах.

Дисертація містить лише ті наукові результати, які були отримані особисто дисертантом. Постановка задач і обговорення результатів досліджень виконані спільно з науковим керівником, к.т.н., доцентом Ковалем П.М..

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на Українських міжгалузевих науково-практичних семінарах “Сучасні проблеми проектування, будівництва та експлуатації споруд на шляхах сполучення” (м.Київ 1998, 2000, 2002 р.), Другій всеукраїнській науково-технічній конференції “Аварії на будівлях і спорудах та їх попередження” (м. Київ 1999р.), міжнародній конференції “Budownictwo i inzynieria srodowiska” (Польща, м. Жешув 2000р.), Всеукраїнській науково-практичній конференції “Реконструкція будівель та споруд. Досвід та проблеми” (м. Київ 2001р.), 63 науково-практичній конференції в КНУБА (м. Київ 2002р.), ІХ Міжнародна конференція “Trwale I bezpieczne nawierzchnie drogowe” (Польща, м. Кельце 2003р.).

Публікації. Основні наукові результати за темою дисертації опубліковані у 18 друкованих працях, з них в спеціальних фахових виданнях, що включені в перелік ВАК України - 15.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел з 172 найменувань, 5 додатків. Робота викладена на 185 сторінках, у тому числі містить 152 сторінки основного тексту, з них 33 повних сторінок з рисунками і таблицями, 18 сторінок списку використаних джерел, 10 таблиць і 90 рисунків, 38 сторінок додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ містить обґрунтування актуальності теми, сформульовано мету і задачі досліджень, наведені основні наукові результати, показано їх практичне значення в галузі будівництва.

Перший розділ розглядає сучасний стан проблеми дослідження. Вивченням тріщиностійкості бетону, арматури і залізобетону займалося багато фахівців як в колишньому СРСР, так і за кордоном. Серед них Барашиков А.Я., Берг О.Я., Бріджмен П., Волков С.Д., Гвоздєв А.А., Гладишев Г.М., Гузєєв Е.А., Зайцева Ю.В., Залесов А.С., Клименко Ф.Є., Лучко Й.Й., Мурашов В.І., Пірадов К.О., Рюш Г. та ін.. Методи лабораторного дослідження мікротріщиноутворення при натурних дослідженнях будівельних конструкцій, наштовхуються на низку перешкод внаслідок трудомісткості даних методів та складності їх застосування до великорозмірних конструкцій, а також у випадку ускладненого доступу до неї. Оцінка міцності та тріщиностійкості бетонних та залізобетонних конструкцій із використанням механіки руйнування неможлива без надійних опрацьованих методик визначення критеріїв, які характеризують старт та розвиток магістральної тріщини. Допомогти в цьому може застосування методу акустичної емісії. Метод АЕ забезпечує знаходження та реєстрацію тільки тих дефектів, які розвиваються і впливають на конструктивну міцність. Дефекти, що не змінюють своїх параметрів під робочим навантаженням, не проявляють акустичної активності і можуть бути віднесені до конструктивних особливостей. Це дозволяє значно скоротити об'єм ремонтних робіт, підвищує надійність об'єкта і може принести значний економічний ефект.

Перші роботи про застосування методу АЕ у дослідженні конструкційних матеріалів з'явились в 1967-1968 роках. Дослідженням займались Андрейків А.Е., Апл Ф., Бжелетич Д., Буйло С.І., Варі, Вергекс К., Гарінгтон Р., Герберберіх В., Гулєвский І.В., Гусєв О.В., Данеган Х., Дробот Ю.Б., Ігл Д., Карлайл Д., Клима, Коллакот Р., Коннорс Д., Лазарєв А.М., Лиманс, Лідовіц Х., Мендізаде П., Мітчел Д., Морес К., Мортон Т., Однопозов Л.Ю., Павловський, Почтовик Г.Я., Роутер В., Синклер А., Скальський В.Р., Скотт В., Смірнов В.І., Сміф С., Тельман А., Тріпалін А.С., Функе, Харіс Д., Хартбауер К., Хаттон П., Холодний В.І., Шип В.В..

Вивчення сигналів АЕ дає інформацію про розвиток тріщин. У більшості робіт з АЕ, відмічається якісна зміна характеру випромінювання АЕ в матеріалі конструкцій та модельних зразках при різних етапах їх роботи. Так, деякими авторами зроблено висновок, що про момент утворення тріщини за результатами АЕ-випробування можна судити за моментом якісної зміни характеру випромінювання АЕ. Але використання цього підходу може привести до помилкових висновків на практиці, у зв'язку із тим, що останні передбачають збільшення навантаження ступенями, а не неперервно, як це прийнято у лабораторних дослідженнях. Цих недоліків не містить методика оцінки небезпеки процесів руйнування за параметрами АЕ Філоненко С.Ф., що базується на підходах термокінетичної природи руйнування твердих тіл.

Проведений літературний пошук використання методу АЕ в дослідженні натурних будівельних залізобетонних конструкцій свідчать про те, що на даний час не має опрацьованих та надійних методик визначення НДС конструкцій та їх тріщиностійкості.

Сформульовано мету та задачі дослідження.

Другий розділ містить опис методики дослідження бетонних та залізобетонних зразків із використанням традиційних методів дослідження та методу АЕ.

Згідно із задачами дослідження була розроблена програма комплексних випробувань бетонних та залізобетонних конструкцій семи типів виготовлених із п'яти серій важкого бетону, які відрізнялись між собою складом та міцністю. Програма містить проведення восьми серій експериментальних досліджень бетонних, арматурних, та залізобетонних зразків: бетонних кубів розмірами 100100100мм, призм 150150600 мм, призм 100100400 мм, бетонних дископодібних зразків 500мм, стержнів робочої арматури залізобетонних балок та залізобетонних балок розмірами 2100200100мм. Міцністні та деформативні характеристики бетонів та арматури визначали згідно діючих методик нормативних документів.

Під час випробування бетонних кубів на стиск (марка КС) визначали кубикову міцність зразків та проводили реєстрацію сигналів АЕ.

При випробуванні бетонних призм розміром 150150600мм на осьовий стиск (марка ПР) досліджували НДС, визначали модуль пружності та коефіцієнт поперечних деформацій бетонів. Деформації призм визначали на усіх чотирьох гранях за показами мікроіндикаторів годинникового типу. Проводили вимірювання часу проходження ультразвуку через масив бетону призми з використанням приладу УК-14П. Під час дослідження реєстрували сигнали АЕ, що виникали, за допомогою програмно-технічного комплексу “АКЕМ”.

Під час випробування бетонних кубів розміром 100100100 на розколювання (марка КР) визначали міцність бетону зразків на розколювання та проводили реєстрацію сигналів АЕ.

При випробуванні бетонних призм розміром 150150600мм за схемою чистого згину (марка ПРЗ) вимірювали деформації досліджуваних зразків з використанням тен6зорезисторів, проводилось вимірювання прогинів, визначення часу проходження ультразвукової хвилі через бетон зразків з використанням приладу УК-14П, та реєстрація сигналів АЕ.

В процесі досліджень бетонних призм розміром 100100400мм на згин (марка ПМ) вимірювали розкриття тріщини у вершині концентратора, прогин зразка та проводили реєстрацію сигналів АЕ.

При випробуванні дископодібних зразків за силовою схемою позацентрового розтягу (марка ДБ) досліджувались характеристики тріщиностійкості бетону зразків, та проводили реєстрацію сигналів АЕ.

Випробування робочої арматури класу А-ІІІ, діаметром 12 мм, довжиною 250мм проводили згідно методики ГОСТ 12004-81. При випробуванні арматури реєстрували сигнали АЕ.

Залізобетонні балки (марка Б) випробовувались у віці 460-500 діб за схемою чистого згину. Випробування здійснювали на силовому стенді двома зосередженими силами, розташованими в третях прольоту. Завантажували зразки ступенями за наступною схемою: перші три ступені - по 30%Р_crc, наступні три - 10% Р_cr, решта, аж до фізичного руйнування по 20% Р_cr. Витримка навантаження на кожній ступені складала 15хв, після чого знімали відліки з приладів. Загальний час тривалості ступені складав 50 хвилин. При випробуванні проводили визначення прогинів балки під навантаженням. Фіброві деформації бетону балки заміряли, використовуючи тензорезистори з базою 50 мм у комплекті з вимірювальним приладом ЦТК-1, та механічний компаратор. Вимірювання часу проходження ультразвуку через масив балки виконували шляхом поверхневого прозвучування ультразвуковим компаратором з комплекту УК-14П. При випробуванні балок досліджували сигнали АЕ, що виникали в конструкції за допомогою програмно-технічного комплексу “АКЕМ”. Датчик АЕ через шар акустично-прозорого мастила “Рамзай” встановлювали на нижній грані балки та притискали до неї гумовою стрічкою. Запис акустичної емісії проводили у два етапи: під час навантаження та витримки на кожній ступені. Ширину розкриття тріщин визначали за допомогою мікроскопа МПБ-2 із ціною поділки 0,05мм. Вимірювання проводили на кожній ступені навантаження з моменту появи тріщин, до навантаження рівного 0,7-0,8 від руйнівного.

Для аналізу випромінювання сигналів АЕ прийнято параметри, що найбільш часто використовувались дослідниками явища АЕ: енергія Е сигналу АЕ mv²c, амплітуда сигналу mv, накопичення сигналів АЕ N_c, накопичення енергії Е сигналів АЕ mv²c, параметр К_р (ступінь зміни густини енергії сигналу), інтенсивність випромінювання сигналів АЕ N_c/с, тривалість події АЕ mkc.

Третій розділ містить аналіз процесу випромінювання сигналів АЕ при дослідженні бетонних та залізобетонних конструкцій.

AE при випробуванні дослідних зразків аналізували за такими параметрами: тривалість подій, амплітуда та енергія сигналів, накопичення сигналів та енергії, інтенсивність АЕ, параметр К_р. При цьому визначали навантаження, при яких виникала АЕ, та аналізували перебіг процесу випромінювання АЕ в залежності від величини навантажуючого зусилля. Проведено порівняння числових значень аналізованих параметрів сигналів АЕ, що виникали при випробуванні зразків, як в цілому по серіях, так і між окремими зразками “близнюками”.

Зміна напруженого стану бетону досліджуваних зразків, а саме такі рівні тріщиноутворення як поява мікроруйнувань, мікро та макротріщин відбивається на характері накопичення подій АЕ та їх енергії, а також супроводжується підвищенням енергетичних характеристик сигналів АЕ, зокрема енергії сигналів. При випробуванні зразків однієї серії спостерігається значний розкид числових значень кількості сигналів АЕ (N) та їх енергій (Е). Розкид параметра К_р, зафіксований в дослідах, дає можливість його використання для виявлення макротріщин.

Четвертий розділ містить результати проведених експериментальних досліджень.

Характер протікання випромінювання сигналів АЕ під час неперервного навантаження бетонних кубів на стиск (марка КС) дозволяє встановити рівень напружень мікротріщиноутворення R_сrс. Аналіз здійснювали графічно за кривими накопичення енергії та сигналів АЕ. Для більшої достовірності аналізу пошук рівнів напружень мікротріщиноутворення R_сrс здійснювався як за накопиченням сигналів АЕ, так і за накопиченням їх енергії. На графіках зафіксовано місця зміни характеру перебігу процесу випромінювання.

Оцінку основних результатів випробувань бетонних призм на стиск (марка ПР) проводили за експериментальними даними з розвитку поздовжніх та поперечних деформацій на різних стадіях навантаження, зміні часу проходження ультразвукової хвилі через матеріал зразка та сигналами АЕ. Аналіз АЕ проводили графічно за накопиченням кількості та енергії сигналів АЕ, як і при випробуванні бетонних кубів на стиск. Порівнянням характеру зміни часу проходження ультразвукової хвилі, відносних поперечних деформацій ₂ та процесу АЕ визначали деформації при напруженні R_сrс. Шляхом порівняння відносних поперечних деформацій ₂ та процесу АЕ визначали деформації при напруженні R^А_crc, при якому відбувалось перша зміна характеру випромінювання АЕ. Із утворенням макротріщини, напруження R_crc, характер накопичення мікродефектів в часі, із зростанням навантаження, набуває експоненціального характеру, що в повній мірі відбивається на характері випромінювання АЕ. При цьому спостерігається значне збільшення інтенсивності сигналів АЕ.

Характер протікання випромінювання сигналів АЕ під час неперервного навантаження бетонних кубів при випробуванні їх на розколювання (марка КР), дозволив встановити рівні напружень мікроруйнування R⁰_сrс та мікротріщиноутворення R_сrс. При отриманні інформативних параметрів АЕ для визначення напружень мікроруйнування R⁰_crc, мікротріщиноутворення R_сrс та макротріщиноутворення використані залежності накопичення сигналів АЕ та їх енергії, як це було зроблено в аналізі АЕ при випробуванні бетонних зразків на стиск. Аналіз енергетичних характеристик сигналів АЕ на заключних етапах навантаження дозволив встановити початок зародження макротріщин у досліджуваних зразках, що супроводжується зростанням кількості сигналів АЕ з більшими значеннями енергії. Експериментальні значення напружень мікроруйнування R⁰_crc, мікротріщиноутворення R_сrс та початку зародження макротріщин R_crc при розколюванні представлено в таблиці 1.

Таблиця 1. Експериментальні значення напружень R⁰_crc, R_сrс, R_crc.

Серія	R0crc/ Rbtr	Rсrс/ Rbtr	Rcrc/ Rbtr
1	0,57	0,73	0,86
2	0,46	0,7	0,87
3	0,43	0,73	0,89
4	0,39	0,8	0,96
5	0,36	0,84	0,99

Для отримання інформативних параметрів при аналізі процесів імпульсного випромінювання АЕ, що виникало при випробуванні бетонних призм на чистий згин (марка ПРЗ), використано накопичення сигналів АЕ та їх енергії, а також критерій К_р. Для визначення напруження мікротріщиноутворення R_сrс використані залежності накопичення сигналів АЕ та їх енергії, як це було зроблено при аналізі АЕ для бетонних зразків на стиск та на розколювання. В таблиці 2 представлено експериментальні значення критерію К_р сигналів АЕ, прогину, та відносних деформацій виміряні під час витримки на ступенях навантаження при появі експоненціального характеру кінетики випромінювання АЕ з накопичення енергії сигналів при напруженнях R_сrс, та зростанню її на один порядок - напруження R^А_сrс. Значення R_crc /R_crз представлені тут близькі до величини R_crc / P_crз = 0,8.

Таблиця 2 Експериментальні значення прогину, відносних деформацій та коефіцієнта К_р сигналів АЕ.

Зразок	Rcrc / Rcrз	fcrc , мм	crc	Кр	Rcrc / Rcrз	fАcrc , мм	Acrc	КpА	Pcrз Мпа	Крcr
ПРЗ 1.4	0,87	0,042	3310-5	6,061	0,93	0,048	3910-5	5,709	1,7985	6,656
ПРЗ 1.5	0,94	0,054	3810-5	6,183	0,94	0,054	3810-5	6,115	2,1604	6,234
ПРЗ 1.6	0,84	0,054	2610-5	6,171	0,90	0,058	3210-5	6,682	2,6312	6,682
ПРЗ 2.4	0,86	0,048	2510-5	6,304	0,94	0,056	3510-5	6,381	2,2372	6,776
ПРЗ 2.5	0,83	0,030	1610-5	5,349	0,92	0,038	2610-5	5,802	1,9082	6,528
ПРЗ 2.6	0,82	0,044	2210-5	6,122	0,90	0,053	3610-5	6,392	2,1495	6,616
ПРЗ 3.4	0,79	0,035	1810-5	5.92	0,90	0,044	2310-5	6,497	2,4346	6,497
ПРЗ 3.5	0,79	0,031	910-5	6,204	0,89	0,040	1410-5	6,356	2,4346	6,330
ПРЗ 3.6	0,79	0,058	1710-5	6,195	0,96	0,083	3210-5	6,291	2,4017	6,391
ПРЗ 4.4	0,77	0,037	1310-5	6,352	0,90	0,050	1710-5	6,566	2,5881	6,641
ПРЗ 4.6	0,69	0,037	1610-5	6,322	0,92	0,060	2410-5	6,434	2,8733	6,544
ПРЗ 5.4	0,75	0,034	1510-5	5,944	0,88	0,042	2210-5	6,225	2,8513	6,759
ПРЗ 5.5	0,87	0,049	2110-5	6.343	0,95	0,062	3110-5	6,092	3,5093	6,622

Проведено аналіз кінетики випромінювання сигналів АЕ при різних значеннях навантаження під час витримки на ступенях. Для цього використано методику Філоненко С.Ф., що базується на основних підходах термокінетичної концепції міцності твердого тіла та аналізі кінетики випромінювання АЕ. Для визначення інформативних параметрі вибрані накопичення кількості сигналів АЕ та їх енергії. Для порівняння та узагальнення результатів, незалежних від розмірності аналізованих параметрів, використано їх формалізацію з нормуванням шкал до одиничної за формулами:

(1)

(2)

де ; ; ; N_i-, Е_i- - значення накопичення кількості сигналів та енергії АЕ під час витримки під навантаженням на ступенях у обраному часовому перерізі; P_i - значення навантаження на ступені; P_imax - максимальне значення навантаження. N_imax , Е_imax - максимальні значення накопичення кількості сигналів та енергії АЕ під час витримки під навантаженням на ступенях у обраному часовому перерізі. Проведення аналізу з апроксимацією експериментальних даних у відповідності до попередньо описаних виконували за формулами:

(3)

(4)

де а₁, а₂, b₁, b₂ - константи; ; P_i - значення навантаження на ступені; P_imax - максимальне значення навантаження. Проведений аналіз показав, що з наближенням до руйнування зразків проходить збільшення степеневих коефіцієнтів b₁ та b₂, причому зростанням міцності бетону його збільшення відбувається більш інтенсивно. Із досягненням рівня напруження мікротріщиноутворення коефіцієнти набувають значень більше 3.

Під час випробування бетонних дископодібних зразків (марка ДБ), навантаження, при якому утворювалась макротріщина (Р_QАЕ), визначили за різким зростанням амплітуди сигналів АЕ. Навантаженню, при якому тріщини швидко розвивались (P_CАЕ), відповідав момент появи експоненціального характеру кривих накопичення кількості сигналів АЕ та їх енергії. Аналіз накопиченої енергії сигналів АЕ Е_q при зусиллі Р_QАЕ дав наступні результати. В першому циклі “навантаження - розвантаження” виявлена залежність між накопиченою енергією сигналів Е_q та максимальним навантаженням для випробуваних зразків. Отриману залежність можна записати у вигляді експоненціальної функції:

(5)

де а, b, c - емпіричні коефіцієнти, значення яких: a = 50,79; b=3360,48; c= 0,5. При цьому середньоквадратичне відхилення експериментальних даних склало ²= 8907523,82. На повторних етапах “навантаження - розвантаження” спостерігається розкид експериментальних значень Е_q, що ймовірно спричинене тертям берегів тріщин.

Після підставлення на місце максимального навантаження на зразок відповідного йому експериментального значення К_С^exp, отримано залежність для енергії АЕ Е_q, що випромінюється при першому старті тріщини та відповідно К_С^exp. Отриману залежність можна записати у вигляді логарифмічної функції:

(6)

де а, b, c - емпіричні коефіцієнти, значення яких: a= 2,32; b= 0,11; c= 0,5. При цьому середньоквадратичне відхилення експериментальних даних склало ²= 0,03.

Проведений порівняльний аналіз енергії сигналів АЕ при випробуванні бетонних призм, виготовлених із бетонів різного складу, та арматури. Значення параметрів сигналів АЕ від деформування арматури і бетону є співмірними.

Розглядаючи залежності накопичення кількості та енергії реєстрованих сигналів АЕ під час витримки на ступенях навантаження відмічено їх схожість при випробуванні залізобетонних балок-близнюків (марка Б) одного складу. Можливо виділити три етапи перебігу акустичного процесу, як це було зроблено в роботі Філоненка С.Ф.. Інформативним параметром АЕ для визначення наявності тріщин в конструкції та моменту їх утворення є параметри К_р сигналів АЕ.

Зміна суми прирощень висоти тріщин на ступенях навантаження залізобетонних балок пропорційна накопиченню кількості сигналів АЕ та їх енергії на перерізі часу другого етапу перебігу АЕ у процесі витримки під навантаженням на ступенях. Не повна тотожність аналізованих параметрів викликана обраною методикою вимірювання висоти тріщин.

Для прогнозування максимальних фібрових напружень в стиснутій зоні залізобетонних балок із застосуванням АЕ використано експериментальні результати вимірювань фібрових напружень бетону конструкцій на ступенях навантаження та методику Філоненка С.Ф.. Переріз часу, на якому виконують аналіз кінетики АЕ, входить до другого етапу перебігу АЕ під час витримки під навантаженнях на ступенях. До утворення макротріщин характерним є значення степеневого коефіцієнту b₁ та b₂ у виразах (3) та (4) меншим за 3, що відображує кінетику процесу випромінювання без збільшення параметрів АЕ. При утворенні тріщин в бетоні балок відбувається збільшення степеневих коефіцієнтів b₁ та b₂, причому його значення стає більшим за 3. При наступних приростах навантаження нормальні тріщини в зоні чистого згину сповільнюють свій ріст, з'являються похилі тріщини в третинах прольоту балки, які не несуть суттєвого внеску в сумарну висоту тріщин. Коефіцієнти b₁ та b₂ в свою чергу на даному етапі роботи зменшуються. Коефіцієнти а₁ та а₂, які до того приймав значення 1 розпочинають також зменшуватись. Подальші дискретні прирощення навантаження на ступенях не викликають суттєвих змін коефіцієнтів а₁,а₂, і b₁, b₂ , аж до початку руйнування, яке в свою чергу супроводжується підвищенням параметрів АЕ та збільшенням степеневих коефіцієнтів b₁ та b₂.

П'ятий розділ містить результати натурних випробувань бетонних та залізобетонних конструкцій із використанням методу АЕ. Представлено основні положення розробленої методики технічної діагностики автодорожніх мостів із використанням методу АЕ. Дана методика може бути використана при обстеженнях інших будівельних споруд.

При прийнятті рішення за результатами АЕ контролю використовують дані, що повинні містити відомості про небезпеку процесів, що відбуваються в структурі матеріалів при навантаженні та критеріальну оцінку виявлення сигналів АЕ від тріщин К_р. емісія бетонний тріщиноутворення

Розроблені методики дослідження бетонних та залізобетонних конструкцій за методом АЕ було використано при дослідженні двох автодорожніх мостів через р. Західний Буг на Державному кордоні між Україною та Польщею, залізобетонного автодорожнього моста через р. Стара Ріка в с. Руське Поле Закарпатської області, залізобетонного автодорожнього моста через р. Прут в с. Микуличин Івано-Франківської області, при випробуванні димової залізобетонної труби ЯДГХП “Сірка”.

При навантаженні натурних залізобетонних конструкцій результати випробування за методом АЕ випробування добре узгоджуються з даними візуального огляду та традиційних методів вимірювань. Використання методу АЕ має перевагу при застосуванні його у місцях, де традиційні методи застосувати важко, або неможливо. Проведені натурні випробування залізобетонних конструкцій показали можливість використання методу АЕ для технічної діагностики їх стану.

ВИСНОВКИ

1. За результатами комплексного дослідження параметрів АЕ, проведеного при різних схемах навантаження не виявлено зменшення рівня АЕ із збільшенням класу бетону.

2. Зміна НДС досліджуваних зразків, а саме поява мікроруйнувань, мікро- та макротріщин впливає на характер накопичення подій АЕ та їх енергії, а також супроводжується підвищенням енергетичних характеристик сигналів АЕ, зокрема енергії сигналів та параметру К_р.

3. Параметр К_р можливо використовувати для оцінки роботи бетонних та залізобетонних конструкцій на згин та розтяг для аналізу рівнів тріщиноутворення.

4. Досліджено рівні та процеси тріщиноутворення бетонних та залізобетонних зразків при різних схемах роботи та на різних етапах навантаження за допомогою методу АЕ.

5. При випробуванні бетонних кубів та призм на стиск, напруження мікротріщиноутворення R_crc в бетоні можна визначати графічно за зміною кута нахилу кривих накопичення кількості сигналів АЕ та їх енергії. Дослідні значення відносних поперечних розтягуючих деформацій при випробуванні бетонних призм на стиск близькі до величини 1010^-5, що згідно дослідженням О.Я.Берга відповідає утворенню мікротріщин.

6. Експоненціальний характер перебігу в кривих накопичення кількості сигналів АЕ та їх енергії в момент зміни навантаження при випробуванні бетонних призм на стиск, та значне збільшення цих параметрів при постійному рівні навантаження, свідчить про утворення макротріщин.

7. При випробуванні бетонних кубів на розтяг методом розколювання неперервно зростаючим навантаженням, напруження мікроруйнування R⁰_crc, мікротріщиноутворення R_crc та зародження макротріщин в бетоні, можна визначати графічно за зміною кута нахилу кривих накопичення кількості сигналів АЕ та їх енергії. Поява макротріщини супроводжується випромінюванням сигналів АЕ з більшою енергією.

8. Випробування бетонних призм на чистий згин показало, що інформативним параметром сигналів АЕ, по якому можна судити про утворення тріщини, є параметр К_р. Крім того, поява експоненціального характеру кінетики випромінювання АЕ по накопиченню енергії сигналів свідчить про досягнення рівня напруження мікротріщиноутворення R_сrс. При подальшому навантаженні зразків відбувається збільшення на порядок значень накопичення енергії сигналів АЕ.

9. Випробування бетонних дископодібних зразків на позацентровий розтяг показало, що існує експоненціальна залежність між накопиченням енергії сигналів Е_q та максимальним випробувальним навантаженням, і логарифмічна залежність між Е_q та коефіцієнтом інтенсивності напружень.

10. Методику оцінки небезпеки процесу руйнування можна використовувати для діагностики залізобетонних балкових конструкцій. За значенням коефіцієнтів b₁ та b₂ формул (3, 4) можливе знаходження моменту утворення тріщин та визначення НДС в стиснутій зоні залізобетонних балок.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В НАСТУПНИХ РОБОТАХ

Коваль П.М., Сташук П.М. Дослідження руйнування бетону з використанням методу акустичної емісії / Будівельні конструкції. Збірник наукових праць. Вип.50. Друга всеукраїнська-науково-технічна конференція. “Науково-практичні проблеми сучасного залізобетону” Київ, НДІБК - 1999. - С.341-346.

Коваль П.М., Сташук П.М., Лисак О.Є. Проблеми діагностики технічного стану залізобетонних мостів та оцінка їх довговічності. / Будівельні конструкції. Збірник наукових праць. Вип.51. Друга всеукраїнська-науково-технічна конференція. “Аварії на будівлях і спорудах та їх попередження”. Київ. НДІБК.-1999. - С.221-227.

Кархут І.І., Сташук П.М. Дослідження характеристик тріщиностійкості бетону. // Zeszyty naukowe Politechniki Rzeszowskiej. Budownictwo i inzynieria srodowiska. - Rzeszow 2000 - P.217-220.

Коваль П.М., Сташук П.М. Діагностика стану бетонних та залізобетонних конструкцій за характеристиками тріщиностійкості. // Наукові праці семінару “Сучасні проблеми проектування, будівнитва та експлуатації споруд на шляхах сполучення”.-К.: УТУ-2000,-С.106-109.

Сташук П.М. Дослідження процесів тріщиноутворення в бетонах методом акустичної емісії. Діагностика, довговічність та реконструкція мостів і будівельних конструкцій. // НАН України ФМІ ім. Г.В. Карпенка. Збірник наукових праць. Випуск 2. В-во “Каменяр” Львів.-2000. - С.133-143.

Коваль П.М., Сташук П.М. Дослідження тріщиностійкості бетонів методом акустичної емісії. // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. // Збірник наукових праць. Вип. 5. Рівне: Рівенський ДТУ,2000.,-- С.309-315.

Коваль П.М., Сташук П.М. Перспективи технічної діагностики мостів з використанням методу акустичної емісії. / Будівельні конструкції. Збірник наукових праць Вип. 54. Всеукраїнська-науково-практична конференція. “Реконструкція будівель та споруд. Досвід та проблеми”. Київ. НДІБК.-2001. - С.310-316.

Коваль П.М., Сташук П.М. Дослідження залізобетонних конструкцій методом акустичної емісії. // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. Вип. 63. НТУ. К.-2001-С.276-282.

Коваль П.М., Лучко Й.Й., Сташук П.М. Оцінка тріщиностійкості бетонів в мостових конструкціях з використанням методу акустичної емісії. / Діагностика, довговічність та реконструкція мостів і будівельних конструкцій. // НАН України ФМІ ім. Г.В. Карпенка. Збірник наукових праць. Випуск 3. В-во “Каменяр” Львів.-2001. - С.91-100.

С.Т. Штаюра, П.М. Сташук, М.Л.Дем'ян Методика та експериментальні дослідження тріщиностійкості бетонів / Діагностика, довговічність та реконструкція мостів і будівельних конструкцій. // НАН України ФМІ ім. Г.В. Карпенка. Збірник наукових праць. Випуск 3. В-во “Каменяр” Львів.-2001. - С.201-209.

Сташук П.М. Вивчення кінетики процесів тріщиноутворення методом акустичної емісії // Вісник Державного університету “Львівська політехніка” Теорія та практика будівництва. В-во ДУ ”ЛП” Львів.-2001. - С.178-184.

П.М.Коваль, Б.Г.Демчина, П.М.Сташук, І.П.Бабяк Акустична емісія арматурного прокату при розтягу / Діагностика, довговічність та реконструкція мостів і будівельних конструкцій. // НАН України ФМІ ім. Г.В. Карпенка. Збірник наукових праць. Випуск 4. В-во “Каменяр” Львів.-2002. - С.73-83.

Сташук П.М., Бенке Й.З. Методика та експериментальні дослідження довжин та розкриття тріщин на балкових зразках / Діагностика, довговічність та реконструкція мостів і будівельних конструкцій. // НАН України ФМІ ім. Г.В. Карпенка. Збірник наукових праць. Випуск 3. В-во “Каменяр” Львів.-2002. - С.171-177.

Коваль П.М., Демчина Б.Г., Сташук П.М., Баб'як І.П. Дослідження арматурного прокату для конструкцій мостів з використанням методу акустичної емісії. / Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. Вип. 64. Сучасні проблеми проектування, будівництва та експлуатації споруд на шляхах сполучення.-К.: УТУ-2002,-С.106-109.

Коваль П.М., Філоненко С.Ф., Сташук П.М Дослідження автодорожнього моста з використанням методу акустичної емісії / Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. Вип. 64. Сучасні проблеми проектування, будівництва та експлуатації споруд на шляхах сполучення.-К.: УТУ-2002,-С.114-118.

Коваль П.М., Фаль А.Є., Сташук П.М. Випробування автодорожнього сталезалізобетонного моста через р. Західний Буг / Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. Вип. 65. - К.: НТУ.-2002.,-С.50-56.

Petr Koval. P.M. Stashuk Study of crack forming kinetics in cement concretes by the acoustic emission method. / IX Miedzynarodowa Konferencja Trwale I bezpieczne nawierzchnie drogowe. Kielce 2003. - Warszawa 2003. - P.101-109.

Коваль П.М., Сташук П.М., Фаль А.Є. Дослідження прогонової будови нового сталезалізобетонного автодорожнього моста з використанням методу акустичної емісії / Діагностика, довговічність та реконструкція мостів і будівельних конструкцій. // НАН України ФМІ ім. Г.В. Карпенка. Збірник наукових праць. Випуск 5. В-во “Каменяр” Львів.-2003. - С.85-93.

Особистий внесок здобувача полягає у експериментальному дослідженні бетонних та залізобетонних конструкцій із використанням методу АЕ та аналізі одержаних результатів.

АНОТАЦІЯ

Сташук П.М. Удосконалення визначення тріщиностійкості залізобетонних конструкцій методом акустичної емісії - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - “Будівельні конструкції, будівлі та споруди”. - Національний університет “Львівська політехніка” Міністерства освіти України, Львів, 2003.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню тріщиностійкості бетонних елементів та залізобетонних конструкцій з використанням методу акустичної емісії, та питанням удосконаленню методів експериментальних досліджень залізобетонних конструкцій за допомогою методу акустичної емісії.

Виконана програма комплексних випробувань бетонних та залізобетонних конструкцій семи типів виготовлених із п'яти серій важкого бетону, які відрізнялись між собою складом та міцністю.

Досліджено процеси тріщиноутворення та напружено-деформований стан бетонних та залізобетонних конструкцій при різних умовах роботи та на різних етапах навантаження. Виявлено закономірності процесу випромінювання АЕ бетонами різних складів при заданих умовах навантаження, його зв'язок з процесами тріщиноутворення. Розроблено та апробовано методику випробування та визначення стану натурних бетонних та залізобетонних конструкцій з використанням методу АЕ. Проведені натурні випробування залізобетонних конструкцій показали можливість використання методу АЕ для технічної діагностики їх стану.

Ключові слова: залізобетонні конструкції, тріщиностійкість, напружено-деформований стан, акустична емісія, навантаження, методика технічної діагностики.

АННОТАЦИЯ

Сташук П.М. Совершенствование определения трещиностойкости железобетонных конструкций методом акустической эмиссии. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - “Строительные конструкции, здания и сооружения”. - Национальный университет “Львовская политехника” Министерства образования и науки Украины, Львов, 2003.

Диссертационная работа посвящена исследованию трещиностойкости бетонных элементов и железобетонных конструкций с использованием метода акустической эмиссии и усовершенствованию экспериментальных методов исследований железобетонных конструкций с помощью метода акустической эмиссии.

Выполненная программа комплексных испытаний бетонных и железобетонных конструкций семы типов изготовленных из пяти серий тяжелого бетона, которые отличалось составом и прочностью.

Исследованы процессы трещинообразования и напряженно-деформированное состояние бетонных и железобетонных конструкций при разных условиях работы и на разных этапах нагружения. Выявлены закономерности процесса излучение АЕ бетонами разных составов при заданных условиях нагружения, его связь с процессами трещинообразования. Разработана и апробирована методика испытания и определение состояния натурных бетонных и железобетонных конструкций с использованием метода АЕ. Проведенные натурные испытания железобетонных конструкций показали возможность использования метода АЕ для технической диагностики их состояния.

Ключевые слова: железобетонные конструкции, трещиностойкость, напряженно-деформированное состояние, акустическая эмиссия, нагрузка, методика технической диагностики.

SUMMARY

Stashyk P.M.. Perfection of definition crack resistance, of ferro-concrete designs by a method of acoustic issue. - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.23.01 - “ Building designs, building and structure ”. - National university “ the Lvov polyengineering ” Ministries of education and sciences of Ukraine, Lviv, 2003.

Dissertation the work is devoted to research of acoustic issue in ferro-concrete designs under different conditions of work, and improvement experimental of methods of researches of ferro-concrete designs with assistance of a method of acoustic issue.

Key words: concrete designs, crack resistance, is intense, is deformed a condition, acoustic issue, loading, technique of technical diagnostics.

Размещено на Allbest.ru

...