Оцінка міцності кладки та її однорідності у будівельних конструкціях імпульсними методами

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Значне зростання за останнє десятиліття обсягів будівництва в умовах щільної міської забудови вимагає достовірної оцінки залишкового ресурсу конструкцій для розробки оптимальних проектів реконструкції та перепланування будівель і споруд. Здебільшого при реконструкції вихідних проектних показників, а також середньостатистичних даних про впливи для оцінки реального напружено-деформованого стану конструкцій бракує. Тому основною вихідною інформацією для розрахунків є оперативні дані, що отримуються за допомогою технічних засобів діагностування. Дуже гострою ця проблема є для цегляних споруд старої забудови. Для прогнозування безпечної експлуатації та прийняття технічно й економічно обґрунтованих рішень при реконструкції таких будівель необхідна комплексна інформація як про фактичні фізико-механічні характеристики кладки, так і про ступінь дефектності конструкцій. Потреба у вихідній фактичній інформації також зростатиме в зв'язку з введенням у дію державних норм з будівництва в сейсмічних районах України (з 01.02.2007 р.) та норм на навантаження і впливи (з 01.01.2007 р.). Відповідно до них для багатьох населених пунктів підвищеними є інтенсивність сейсмічних впливів, а для будівель - вітрові та снігові навантаження.

У цілому таку інформацію можна одержати в процесі діагностування кам'яних конструкцій неруйнівними акустичними імпульсними методами (АІМ). Перевага цих методів полягає в тому, що параметри акустичних імпульсів пов'язані з пружними характеристиками твердого тіла й особливостями його структури. Вони дають змогу визначати як одиничні показники якості, так і інтегральні характеристики, що відкриває можливості щодо одержання інформації з високою достовірністю і прийнятною точністю.

Відносно кам'яних конструкцій, що виконані з керамічних виробів, сучасний рівень АІМ, поряд із відсутністю нормативного забезпечення, характеризується недостатньою вивченістю зв'язків ефективних інформативних параметрів з міцнісними характеристиками матеріалів кладки, відсутністю чітких критеріїв оцінки міцності кладки і її однорідності в будівельних конструкціях.

Брак фактичної інформації про міцність та однорідність кам'яної кладки визначає актуальність і необхідність розвитку методів і спеціалізованих технічних засобів діагностування, їх апробації та впровадження. У зв'язку з тим, що використання неруйнівних методів для визначення міцнісних характеристик кладки з керамічних виробів до цього часу не регламентовано, дисертаційні дослідження в цьому напрямі мають сприяти поповненню фактичної інформації та накопиченню первинних даних для розробки відповідних нормативів у майбутньому.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є удосконалювання неруйнівних методів контролю кладки, виконаної з керамічних виробів, і розробка нових методик діагностування технічного стану кам'яних конструкцій.

Для досягнення мети вирішені такі основні задачі:

- проаналізований накопичений досвід технічного діагностування кам'яних конструкцій;

- визначена ефективність використання теоретичних дисперсійних кривих як критеріїв оцінки однорідності кладки в конструкціях;

- узагальнені дослідження й одержані розрахункові співвідношення по вибору оптимальних параметрів ударних пристроїв для методу хвилі удару (МХУ) і ударного луна-методу (УЛМ);

- обґрунтована ефективність інформативних параметрів, що характеризують міцнісні властивості матеріалів керамічної кладки, і розроблена методика визначення їх міцності ультразвуковим методом (УЗМ);

- запропоновані критерії оцінки міцності матеріалів кладки і її однорідності в конструкціях для трьох методів: УЗМ, МХУ і УЛМ;

- розроблена нова апаратура і програмне забезпечення, що адаптовані до кам'яних конструкцій для реалізації МХУ й УЛМ;

- виконана перевірка в натурних умовах комплексного використання вибраних методів і запропонованих критеріїв;

- запроваджені на обстежуваних об'єктах методичні і науково-технічні результати досліджень.

1. Огляд і критичний аналіз сучасного рівня розвитку імпульсних методів технічного діагностування кам'яних конструкцій

З урахуванням обмежених напрацювань (порівняно з неруйнівними випробуваннями бетону) також розглянуті методи потенційно придатні для діагностування кладки.

Міцність матеріалів кладки - основна характеристика, яку відповідно до нормативних вимог (СНиП II-22-81) одержують експериментальним шляхом. Стандартні механічні випробування, незважаючи на об'єктивність та очевидну необхідність, через малу вибірку і випадковість відбору зразків не забезпечують високу достовірність та інформативність даних щодо міцнісних характеристик у великих масивах кладки, де може використовуватися цегла і розчин із різними міцнісними характеристиками. Це особливо характерне для старих будівель що реконструюються, у яких навіть початково однорідні матеріали за тривалий час експлуатації в різних умовах (наприклад надземна і підземна частини будівель) значною мірою змінюють свої механічні характеристики.

Для об'єктивної оцінки міцності кладки та стану конструкцій потрібні методи, що забезпечують достовірне визначення досліджуваних характеристик і їх мінливості при статистично значущих вибірках вимірювань інформативних параметрів. Найбільш перспективними для цього є неруйнівні методи, що ґрунтуються на імпульсному збудженні. Проаналізовано два напрямки їх розвитку. Перший базується на розгляді реакції пружного середовища на імпульсний вплив у формі опору матеріалу проникненню твердих тіл (механічні методи), другий - на розгляді поширення пружних хвиль у середовищі (акустичні методи).

Показано, що стосовно кам'яної кладки механічні методи (засновані на пластичній деформації, відскоку ударника від поверхні, параметрах ударного імпульсу) є не досить ефективними. Вони не дають уявлення про внутрішню структуру і стан конструкції в цілому і їх використання можливо тільки для якісної характеристики поверхневої міцності керамічних виробів.

Основними потенційними джерелами інформації про фактичні міцнісні характеристики керамічної кладки і її однорідність є АІМ. Теоретичною основою цих методів є функціональні зв'язки швидкостей поширення пружних хвиль, які використовуються як характеристики матеріалів. Для безмежного ізотропного пружного тіла такі зв'язки характеризуються швидкостями поздовжньої CL і поперечної CT хвиль, функціонально пов'язаними з щільністю с і характеристиками пружності:

; , (1)

де Е, G - відповідно лінійні модулі пружності і зсуву; м - коефіцієнт Пуассона.

Принциповим питанням розвитку АІМ діагностування будівельних конструкцій, присвячено низку наукових робіт, серед авторів яких - М.М. Альошин, Д.М. Гаріфулін, І.В. Защук, Н.О. Єсеніна, М.О. Крилов, Г.Я. Почтовик, Ю.М. Рапопорт, С.М. Савін, В.В. Судаков, I. Facaoaru, J. Krautkramer, R. Jones, M. Sansalone, R. Sharpe та ін.

У НДІБК значний внесок у дослідження підходів, нормативно-методичного та технічного забезпечення діагностування будівельних конструкцій зробили: Ю.І. Немчинов, Ю.С. Слюсаренко, В.Г. Тарасюк, А.М. Бамбура, В.О. Крітов, М.Г. Мар'єнков, Г.В. Шарапов, С.І. Ногін, П.С. Вітюк, М.В. Сидоренко, В.О. Токарєв та ін.

Розвиток АІМ відбувається у двох напрямах: із використанням кореляційних зв'язків та аналізу параметрів імпульсів і хвильових процесів. Для АІМ діагностування неметалевих будівельних конструкцій використовують в основному два частотних діапазони: ультразвуковий (УЗ) на частотах від 20 до 200 кГц і звуковий (ЗВ) на частотах від 20 Гц до 20 кГц. В УЗ діапазоні дістали розвиток методи, пов'язані з використанням кореляційних залежностей між інформативними параметрами й одиничними показниками якості та використанням окремих параметрів імпульсів для характеристик структури матеріалу. У ЗВ діапазоні розвиваються методи, що базуються на аналізі хвильових процесів для комплексної оцінки стану конструкцій.

УЗМ дістав поширення при визначенні міцнісних характеристик. Він базується на їх зв'язку зі швидкостями поширення імпульсів. Методи ультразвукової дефектоскопії є порівняльними і полягають у зіставленні характеристик імпульсів, що пройшли крізь досліджуваний об'єкт при контролі різних ділянок конструкцій. Рішення про наявність дефекту приймаються на ймовірнісній основі, якщо:

Хср - рSх ? Хi ? Хср + рSх, (2)

де Хср , Sх - відповідно середнє значення і середнє квадратичне відхилення параметра на бездефектних ділянках конструкцій; р - коефіцієнт, що визначається припустимим ризиком прийняття помилкового рішення про наявність дефекту і законом розподілу Х; Хi - значення параметра, що вимірюється.

До загальних недоліків УЗМ можна віднести обмеження за базами прозвучування, пов'язаними зі специфікою поширення ультразвукових коливань у структурно-неоднорідних неметалевих будівельних матеріалах. Велике загасання сигналів в УЗ діапазоні не дає змоги достовірно виконувати вимірювання через шари кладки, особливо при низькій міцності розчину. Обмежені також можливості щодо визначення пружних констант матеріалів, оскільки не вдається вірогідно встановити типи хвиль в імпульсному пакеті. Тому ультразвукові імпульсні методи можуть бути використані тільки для досліджень матеріалів кладки або локальних ділянок конструкцій.

Частотно залежний характер загасання дає змогу виконувати прозвучування великих масивів кладки в ЗВ діапазоні. У використовуваних МХУ і УЛМ збудження пружних хвиль здійснюється ударом молотка або за допомогою спеціальних механічних (електромеханічних) пристроїв. МХУ може забезпечити прозвучування конструкцій при двосторонньому доступі розміром до 30 м. УЛМ розвивається у двох напрямах: для контролю плоских конструкцій і контролю протяжних стрижневих конструкцій. У плоских конструкціях із бетону при односторонньому доступі УЛМ можна здійснювати вимірювання, якщо товщина стін становить близько 2 м. Така чутливість методів у процесі їх адаптації до особливостей керамічної кладки дасть змогу проводити дослідження як при двосторонньому, так і при односторонньому доступі до конструкцій. Основні складності, пов'язані з реалізацією методів, стосуються ідентифікації хвильових процесів, специфіки вимірювань часових інтервалів поширення імпульсів із положистим переднім фронтом, інтерпретації одержуваних даних.

За результатами аналізу визначений найбільш перспективний напрям досліджень - комплексне використання методів в УЗ і ЗВ діапазонах частот. Однак реалізація такого напряму стримується низкою факторів: відсутністю нормативного забезпечення; чітких критеріїв оцінки міцності керамічної кладки і її однорідності в конструкціях; серійних технічних засобів для проведення досліджень у ЗВ діапазоні частот, а також недостатньою вивченістю зв'язку інформативних параметрів з міцнісними характеристиками матеріалів кладки, що не дає змоги одержувати числові значення цих характеристик. Це визначило завдання, які необхідно вирішити в процесі виконання дисертаційної роботи.

2. Обґрунтування вибору конкретних методів для досліджень міцнісних характеристик кладки і її однорідності в конструкціях

УЗМ визнаний найбільш ефективним для визначення міцності кладки, МХУ і УЛМ - для оцінки її однорідності відповідно при дво- та односторонньому доступі до конструкцій.

Показано, що при поверхневому прозвучуванні одним з результативних параметрів може бути час поширення ультразвуку від випромінювача до приймача при використанні приладів, укомплектованих пристроями з акустичними насадками. При такому способі вимірювань основне перенесення енергії УЗ імпульсів відбувається в поверхневому шарі глибиною до 30 мм. Ці результати отримані автором при відпрацюванні методики УЗ контролю якості заповнення поверхневих тріщин у бетоні ремонтним матеріалом. Стосовно матеріалів кладки це означає, що поверхневий шар такої товщини буде інформаційним у разі використанні УЗМ.

Дослідження, виконані М.М. Альошиним, дали змогу застосовувати УЗМ і МХУ для технічного діагностування кам'яних конструкцій. Ним запропонована якісна класифікація міцності кладки при двосторонньому доступі до конструкцій за швидкостями поздовжніх хвиль у сейсмоакустичному діапазоні. Для досліджень характеристик стін розглянуті підходи із застосуванням дисперсійних теоретичних і експериментальних кривих. Такі технології дістали розвиток у НІЦ 26 ЦНДІ (м. Санкт-Петербург) і використані при технічному діагностуванні багатьох будівель і споруд.

Стандартизований у США УЛМ для визначення товщини і дефектоскопії плитоподібних бетонних конструкцій базується на збудженні поверхні коротким механічним ударом, реєстрації прийомним перетворювачем сигналу і його подальшій спектральній обробці. Сутність спектральної обробки полягає у визначенні частоти коливань, що відповідає резонансу за товщиною плити.

Для МХУ і УЛМ, а також для побудови дисперсійних кривих потрібна однозначна інтерпретація типів хвиль. На сьогодні відсутні надійні методики розподілу поздовжніх і поперечних хвиль у неметалевих будівельних матеріалах і конструкціях. Такі висновки підтверджуються дослідженнями, виконаними автором по можливості ідентифікації типів хвиль в акустичних сигналах, які є наслідком реакції конструкцій на ударний вплив. Досліджувались хвильові процеси, пов'язані з основними напрямками деформацій у перерізах залізобетонних колон. За кінематичними і динамічними ознаками поздовжні і поперечні хвилі надійно селектувались тільки в колонах із квадратним перерізом. У конструкціях з іншій формою перерізу не вдалося чітко розмежувати поздовжні і поперечні хвилі. Це зумовило використання стосовно кладки тільки поздовжніх хвиль.

У розділі теоретично розглянуто побудову дисперсійних кривих, у яких швидкість хвилі Релея використовується як характеристика швидкісного розрізу матеріалу конструкції. Основою досліджень були теоретичні висновки Лемба. Він показав, що при збудженні в суцільній однорідній плиті синусоїдальних коливань у ній поширюються два типи хвиль, які можна подати у вигляді характеристичних рівнянь:

для симетричних хвиль:

; (3)

для антисиметричних (згинальних) хвиль:

, (4)

тут:

; ; ,

де С - фазова швидкість; - номер моди коливання поперечних хвиль; d - половина товщини плити.

Для збереження основної моди симетричних коливань існує умова СR < C < СL , а для антисиметричних - має виконуватись умова СT > СR> C.

З аналізу кривих випливає, що коли довжина хвилі л прямує до нуля, швидкості обох основних мод коливань, як антисиметричного, так і симетричного, прямують до однієї межі, а саме до швидкості хвилі Релея. Для реальних співвідношень довжин хвиль і товщин у кам'яній кладці як для симетричних, так і згинальних хвиль буде спостерігатися значна частотна і геометрична дисперсія швидкості. Наприклад, при вимірюваннях на частоті 60 кГц довжина хвилі дорівнює 20...40 см. Для стіни товщиною 50 см відношення л/Н буде перебувати в межах 0,4...0,8, тобто в області найбільшої дисперсії фазової швидкості симетричних хвиль. В імпульсному варіанті це означає, що форма імпульсу, який можна розглядати як інтеграл Фур'є для ряду синусоїдальних складових, буде видозмінюватися по мірі проходження від точки його виникнення і при вимірюваннях вимагатиме вжиття спеціальних заходів щодо зниження цього впливу. Одним із них є використання вузького діапазону частот при створенні умов формування імпульсного пакету з переважними для цього діапазону частотами.

Побудова дисперсійних кривих вимагає значень швидкостей різних типів хвиль, із яких однозначно і достовірно інтерпретуються тільки поздовжні. Поряд із відсутністю критеріїв порівняння теоретичних і експериментальних кривих, їх використання для оцінки однорідності кладки в конструкціях визнано не досить ефективним. Для цього після відпрацьовування методичних і технічних прийомів з вимірювання товщини кам'яних конструкцій запропонований УЛМ.

Тривалість і сила удару є критичними величинами при реалізації МХУ і УЛМ. Тривалість співудару формує переважний частотний діапазон у спектрі ударного імпульсу, сила удару - його амплітудні параметри. Тому правильний вибір ударника може забезпечити у виробі з конкретною геометрією краще формування конкретних типів пружних хвиль у необхідному частотному діапазоні. Коректні результати для визначення параметрів ударника можна одержати на підставі аналізу повної картини співудару, отриманої шляхом наближеного розв'язування задачі про ударну взаємодію й експериментального дослідження хвильових процесів, що зароджуються, на реальних моделях.

Отримано розрахункові співвідношення для випадку співудару сталевої кулі з плитою. Встановлено, що величина стиску плити і тривалість зближення, і відповідно, сформовані початкова амплітуда і фронт ударної хвилі від діаметра кулі залежать лінійно. Від висоти падіння кулі залежність величини стиску незначна і практично відсутня для тривалості зближення.

Розроблено програму і методику експериментальних досліджень матеріалів і зразків керамічної кладки з використанням УЗМ, МХУ і УЛМ. Статистично значущий об'єм зразків із різних видів керамічних виробів і розчинів було заплановано одержувати шляхом відбору з кладки реконструйованих об'єктів. Зразки керамічних виробів умовно були розподілені на такі види: цеглу виготовлену ручним способом у XIX ст. - на початку XX ст. (КС); цеглу повнотілу виготовлену за ДСТУ Б В 2.7-61-97 і ГОСТ 530-80 (КП); цеглу з технологічними пустотами (КТ), що виготовлена за ДСТУ і ГОСТом; камені (КМ), що виготовлені за ДСТУ і ГОСТом. Проби розчину розподілялися за видом в'яжучих на вапняні, цементно-вапняні і цементні. Для експериментальних досліджень були розроблені схеми вимірювань для трьох методів та обґрунтований вибір технічних засобів.

3. Результати численних експериментальних досліджень, у процесі яких вдалося встановити статистично обґрунтовані кореляційні залежності між міцністю матеріалів кладки і часом поширення ультразвуку при поверхневому прозвучуванні t як найбільш ефективним параметром

Це було показано на підставі аналізу інших параметрів ультразвукового імпульсу, що реагують на фізико-механічні характеристики і структуру керамічних виробів (амплітуда, час реверберації, спектральний склад імпульсу, що пройшов).

Вимірювання часу поширення ультразвуку t по фронту імпульсу в режимі максимального підсилення можна розглядати як вимірювання узагальненого параметру. Фронт імпульсу формується амплітудними і спектральними характеристиками сигналу, що пройшов через цеглу і включає інформацію про фазову швидкість і пружні характеристики зразка. Тобто цей параметр є найпростішою інтегральною характеристикою УЗ імпульсу, який пройшов, що найбільш повно відображає зв'язок із пружними характеристиками виробів.

Для цегли з низькою міцністю характерне збільшення часу поширення, менша інтенсивність і тривалість реверберації імпульсу, що прошов, а також більша пологість (затягування) переднього фронту фф, що пов'язано з реакцією на імпульсний вплив матеріалів із різними пружними характеристиками, а також з більшим загасанням високочастотних складових імпульсу.

Обробка статистичних даних показала, що для всіх видів керамічних виробів коефіцієнти кореляційного зв'язку параметра t становлять: 0,67 - із міцністю на стиск (317 зразків); 0,63 - із міцністю на згин (261 зразок). Установлено відсутність значущого зв'язку часу t з міцністю на згин цегли з технологічними пустотами, що значною мірою визначає загальний коефіцієнт варіації (0,63) між цими параметрами для всіх видів цегли. Це обмежує можливу сферу використання цього зв'язку тільки повнотілою цеглою. При виключенні КТ коефіцієнт кореляції між міцністю на згин повнотілої цегли (КС і КП) та інформативним параметром становить 0,71. Порівнянним із ним є коефіцієнт кореляції 0,67 між міцністю на стиск та інформативним параметром, що забезпечує практичну можливість визначення цих міцнісних характеристик за значеннями параметра t . Одержати більш тісні зв'язки, і, як наслідок, підвищити точність при визначенні міцнісних характеристик можна при поділі керамічних виробів на окремі види.

Найбільш точно встановлені зв'язки описуються рівняннями регресії лінійного виду для міцності на згин і степеневого виду для міцності на стиск. Оцінка придатності використання рівнянь регресії як градуювальних залежностей показала, що міцність керамічних виробів при поділі їх на окремі види може визначатися з похибкою, що не перевищує 20%.

Визначено основні чинники, що впливають на вимірювання інформативного параметра, і сформульовані вимоги до їх проведення для встановлення базових (основних) градуювальних залежностей.

Характер зміни УЗ імпульсу при прозвучуванні розчину аналогічний прозвучуванню цегли. Це дало змогу використовувати один і той самий інформативний параметр t, який у горизонтальних швах досить точно вимірюється серійними ультразвуковими приладами, оснащеними пристроями типу УППР, УПП, що забезпечують крапковий акустичний контакт із розчином.

Обробка експериментальних даних показала, що для всіх проб коефіцієнт кореляції між міцністю на стиск і відповідними значеннями інформативного параметра становить 0,85, що є прийнятним для практичної реалізації і не вимагає поділу розчинів на окремі види.

Найбільш точно встановлений зв'язок описується рівнянням регресії експоненціального виду. Оцінка його придатності для використання як градуювальної залежності показала, що залишкова похибка встановленої залежності становить 19%. Регламентована відносна різниця в міцності між сусідніми за параметричним рядом марками розчину перевищує отриманий показник. Це дає підставу на практиці використовувати встановлену градуювальну залежність у якості базової при визначенні міцності розчину.

На реальних об'єктах виконання вимірювань доцільно проводити у швах розчину товщиною 10...15 мм. Розрахункова складова похибки від впливу товщини при цьому для розчинів у діапазоні міцності умовних марок 25...50 буде розміщуватись в межах 6%. Такі обмеження за товщиною також підвищать достовірність вимірювань за рахунок виключення впливу, пов'язаного з проходженням ультразвуку по цеглі.

Отримані дані дали змогу уточнити раніше розроблену автором ”Методику визначення міцності керамічних виробів ультразвуковим методом„ (НДІБК, МВ-К-01, затверджена 13.12.2000 р.). Вона включає такі основні вимоги: до видів виробів; методів вимірювань; інформативних параметрів; вимірювальної апаратури; підготовки вимірювань; виконання вимірювань; виконання розрахунків; обробки результатів; оцінки міцності керамічних виробів і розчину; визначення розрахункового опору кладки стиску; контролю похибки випробувань. Ці методики апробовані на багатьох об'єктах (понад 80 об'єктах, що реконструюються) і довели свою ефективність при визначенні фактичної міцності кладки в конструкціях.

У третьому розділі також наведені результати експериментальних досліджень процесу співудару ударника з елементами керамічної кладки. Досліджувалися електричні параметри ударних імпульсів (тривалість фф і амплітуда А фронту), пов'язані з отриманими механічними розрахунковими характеристиками (тривалістю зближення ффр і стиском зразка w2).

Установлено, що основними чинниками, що впливають на формування тривалості ударного імпульсу, є маса ударника m, його модуль пружності Е і меншою мірою - діаметр d. Відсутність залежності тривалості співудару від висоти h дозволяє вибрати в якості ударника ручний молоток, що падає під кутом . Завдяки високій збіжності розрахункових та експериментальних даних (див. таблицю) параметри ударника можна визначати в процесі розрахунку.

Табл. 1

Для об'єктивної оцінки залишкового ресурсу конструкції, у тому числі й можливості визначення збереженого робочого перерізу, необхідний коректний вибір критеріїв, що стосуються конкретного об'єкта. Такі критерії мають враховувати допустимий рівень неоднорідності за перерізом, при якому і фактичні міцнісні характеристики кладки мають перевищувати мінімально допустимі значення. Можливість дво- або одностороннього доступу до конструкцій на обстежуваних об'єктах зумовила необхідність окремого розгляду цих випадків при призначенні критеріїв, тобто для кожного з трьох вибраних методів.

УЗМ. При оцінці міцності цегли (каменів) не враховується фактичний її коефіцієнт варіації. Неоднорідність міцності в межах конкретної марки враховується різницею між середньою і найменшою міцністю для окремого зразка. Згідно з ДСТУ у діапазоні міцності на стиск, що відповідає маркам 75…300, відносна різниця між середніми і мінімальними значеннями розміщується в межах від 16,6 (М300) до 33.3% (М75). Усереднене значення цього показника (25%) може слугувати критерієм оцінки однорідності керамічних виробів за міцністю.

З урахуванням того, що марка розчину призначається за середньою міцністю на стиск, показником однорідності може слугувати середнє значення міцності Rр i на конкретній ділянці. Відхилення середніх значень міцності на ділянках кладки в межах діапазону міцності конкретної марки буде свідчити про однорідність розчину в конструкції:

М n < R р i ? М n-1, (5)

де М n , М n-1 - середні значення міцності для сусідніх по параметричному ряду марок розчину.

МХУ. Можливі відхилення міцності, різноманітність дефектів і їх різний вплив на експлуатаційні властивості конструкцій потребують інтегрального підходу при встановленні критерію допустимої неоднорідності за перерізом конструкцій. Таким інтегральним показником є швидкість поздовжньої хвилі на конкретній ділянці конструкції. Вимірювання CL як шляхом наскрізного прозвучування при двосторонньому доступі, так і способом поверхневого профілювання при односторонньому доступі проводиться по фронту поздовжньої хвилі. При наскрізному прозвучуванні для надійної реєстрації фронту, збудження має здійснюватись сталевим молотком, а імпульс, що пройшов, підсилюватися до необхідного рівня шляхом вибору коефіцієнта підсилення. Вимірювання СL способом поверхневого профілювання, коли два перетворювачі встановлюються на фіксованій відстані на площині, а точки збудження і прийому розміщуються на одній лінії, необхідні для реалізації УЛМ при односторонньому доступі до конструкцій. Обов'язковою умовою таких вимірювань є реєстрація фронту ударної хвилі, що поширюється зі швидкістю СL.

Для поздовжніх хвиль швидкість проходження імпульсу через кладку CL кл може бути представлена у вигляді:

, (6)

де H, h1, h2 - товщина шарів відповідно кладки, цегли (каменів), розчину; n - кількість шарів; tLкл, tLк, tLр - час поширення імпульсу відповідно в кладці, цеглі (каменях), розчині.

Щоб вимірювання швидкості було коректним, кількість шарів n має бути не меншою від трьох. Для наскрізного прозвучування це забезпечується в конструкціях з кладкою в півтори цегли, а в разі поверхневого профілювання - при мінімальній відстані між перетворювачами 35 см. У разі виконання таких вимог на умовно “бездефектній” ділянці в різних точках способом наскрізного прозвучування вимірюється швидкість CLкл і розраховується її середнє значення СLср і середнє квадратичне відхилення SС . “Бездефектну” ділянку вибирають за результатами ультразвукових вимірювань, припускаючи, що в кладці міцність цегли і розчину перебувають у межах природної неоднорідності. На цій ділянці міцнісні характеристики цегли і розчину мають бути близькими до середніх значень. На ньому не допускаються видимі тріщини і дефекти. Критерієм допустимого рівня неоднорідності (дефектності) кладки при двосторонньому доступі береться умова

СLдеф ? СLср - SС, (7)

де СLдеф - середня швидкість поздовжніх хвиль на ділянці кладки з неоднорідністю, що перевищує допустимий рівень дефектності.

УЛМ. Підходи при призначенні критерію неоднорідності за перерізом у разі одностороннього доступу такі самі, як і для наскрізного прозвучування (“бездефектна” ділянка, товщина стіни не менше ніж 35 см).

Однією з умов оптимального формування в імпульсному спектрі частоти, що відповідає резонансу за товщиною, є тривалість співудару, що може бути забезпечена при використанні ручних молотків із наконечниками, виконаними із різних матеріалів. За отриманими розрахунковими співвідношеннями були визначені ударники, що забезпечують оптимальні умови співудару з кам'яними конструкціями. Вони розраховані для початкової швидкості співудару 1 ... 2 м/с і необхідного діапазону для формування фронту ударної хвилі в діапазоні 50...1000 мкс. Переваги таких ударників полягають у зручності нанесення ударів, а також у відомому формованому частотному діапазоні, що дає змогу забезпечити в конкретній конструкції найкращі умови формування коливань, що відповідають її товщині. Крім формування необхідних параметрів удару, для забезпечення коливань поверхневої хвилі з частотою, близькою до частоти, що відповідає відбиттям між межами стіни, важливим є селектування в амплітудному спектрі частотного піка, що відповідає товщині. Чітке виділення частотного піка, що відповідає товщині, можливе при виконанні фільтрації в цьому діапазоні частот, і в разі необхідності при обробці початкової частини імпульсів, на яких взаємодія різних типів хвиль мінімальна.

У разі дотримання цих вимог на “бездефектній” ділянці в різних точках вимірюється частота, що відповідає резонансу за товщиною стіни Н, розраховується її середнє значення FH і середнє квадратичне відхилення SF. З допомогою МХУ способом поверхневого профілювання визначається СLср у кладці і розраховується середня товщина стіни на бездефектній ділянці:

Н = СLср / 2 FH. (8)

Критерієм допустимого рівня неоднорідності кладки в припущенні, що товщина стіни на контрольованих ділянках однакова, береться умова:

FH - SF ? FH i ? FH + SF, (9)

де FH i - середня частота на ділянці кладки з допустимим рівнем неоднорідності.

Слід зазначити, що середні квадратичні відхилення параметрів, використані в МХУ й УЛМ для призначення критеріїв, є комплексною характеристикою, що включає інформацію про неоднорідність і похибку використовуваних методів і вимірювань.

4. Науково-методичні основи метрологічного забезпечення методів УЗМ, МХУ й УЛМ

Проаналізовано інструментальні систематичні похибки використовуваних методів і визначені шляхи їх зниження. Результати метрологічних досліджень були використані в процесі розробки й атестації багатофункціонального програмно-технічного комплексу ТКС-1, що на базі сучасних інформаційних технологій реалізує МХУ і УЛМ. Створений з застосуванням комп'ютера типу ноутбук комплекс, за розробленою методикою (МП 001/01-22-2004, затверджена 15.02.2004 р.), пройшов державну метрологічну атестацію в Укрметртестстандарті (свідоцтво № 22-1434 від 10.12.2004 р.) і рекомендований НТР НДІБК (протокол № 2 від 28.04.05 р.) для широкого використання на практиці. Він призначений для вимірювань у великогабаритних, у тому числі і кам'яних конструкціях при дво - і односторонньому доступі до них. Чотириканальний комплекс ТКС-1 дає змогу здійснювати: реєстрацію аналогових сигналів у цифровому вигляді з часовою формою їх подання; Фур'є-перетворення з часової форми подання сигналів у частотну як у цілому для зареєстрованих сигналів, так і для окремих їх частин; цифрову фільтрацію сигналів, а також вимірювання амплітуд, часових інтервалів і частот в спектрах сигналів, визначати лінійні розміри конструкцій. Робота з комплексом здійснюється відповідно до розробленої “Методики проведення вимірювань при визначенні лінійних розмірів протяжних конструкцій типу паль і плоских конструкцій типу стін” (НДІБК, МВ-ЛР-01/322-04, затверджена 12.12.2004 р.).

Методичні і технічні результати досліджень, отримані в дисертаційній роботі, використані в практичних роботах НДІБК щодо оцінки кількісних показників міцності кладки з керамічних виробів у будівлях, що характеризують їх експлуатаційну придатність порівняно з гранично-допустимими значеннями. Ці результати дали можливість одержати вихідний матеріал для проведення чисельних досліджень, аналізу несучої спроможності конструкцій і приймати обґрунтовані рішення щодо забезпечення їх безпечної експлуатації.

Потреба в оцінці міцності і однорідності кладки виникає в основному під час реконструкції, реставрації і відновленні пам'яток історії й архітектури, виробничих, громадських і житлових будівель, аварійних об'єктів. Практичні роботи з оцінки міцності кладки за розробленими методиками виконуються автором з 1998 р. У розділі наведені фактичні дані про міцність різних видів керамічних виробів і розчинів, отримані в період із 2003 р. по 2007 р. на 40 об'єктах (у м. Києві). На прикладі окремих об'єктів продемонстрована перевірка в натурних умовах ефективності запропонованих методичних і технічних підходів при оцінці міцності і однорідності кладки з використанням трьох обраних методів.

Один з таких об'єктів - комплекс будівель “Старий Арсенал” по вул. Січневого повстання, 28-30 (час будівництва - 1783-1801 р.р.). Дані дослідження були складовою частиною робіт НДІБК з обстеження конструкцій у зв'язку з розпочатою реконструкцією стародавньої фортифікаційної споруди під музей із відтворенням його початкового вигляду. Надійна і безпечна експлуатація музейного комплексу має бути забезпечена на підставі інструментальних досліджень і перевірних розрахунків конструкцій із значним фізичним зносом, що одержали ушкодження і зазнали руйнування за довгі роки експлуатації.

За розробленою методикою УЗМ, була визначена міцність матеріалів кладки в конструкціях. Установлена неоднорідність цегли в різних місцях кладки, спричинена як різною міцністю, так і різними умовами, у якій перебувала кладка, потребувала її поділу за марками. За запропонованим критерієм була оцінена однорідність цегли за міцністю як для окремих видів конструкцій (стіни, стовпи, склепіння і т. ін.), так і для окремих ділянок кладки (внутрішні і зовнішні шари кладки в стінах і склепіннях). Установлений діапазон міцності розчину перебуває в межах однієї марки, тому для підвищення достовірності оцінки міцності кладки для одних тих самих груп конструкцій і ділянок визначалась його середня міцність на стиск. Фактична міцність цегли в конструкціях відповідає маркам 100...150. Середні значення міцності розчину перебувають у межах 0,74...0,99 МПа. Збіжність результатів, отриманих за двома методами: фізико-механічним і ультразвуковим, є задовільною. За результатами вибіркових випробувань у пресі міцність цегли відповідала маркам 100...150, а міцність розчину перебувала в діапазоні 0,57...0,93 МПа.

В умовах двостороннього доступу до конструкцій (стовпів) МХУ за допомогою комплексу ТКС-1 здійснена оцінка однорідності кладки за перерізом конструкцій. Стовпи складної форми розміщені у внутрішній частині будівлі. За час експлуатації стовпи піддавалися різним видам впливам, у тому числі вогневим і динамічним.

За запропонованим критерієм оцінки однорідності (7), швидкості поздовжніх хвиль в обстежених стовпах порівнювалися зі швидкістю в умовно “бездефектному” стовпі. У результаті були визначені збережені робочі перерізи конструкцій. Установлено, що в кладці окремих стовпів відбулося поверхневе руйнування цегли на глибину до 12 см. На більшій глибині дефектність кладки зумовлена внутрішніми тріщинами. Наступні детальні обстеження дефектних ділянок стовпів підтвердили правильність вибраних критеріїв та об'єктивність оцінки стану кладки. Отримані результати використані під час оцінки реального залишкового ресурсу конструкцій і враховані при прийнятті проектних рішень щодо забезпечення необхідної надійності.

Однорідність кладки при односторонньому доступі визначалася в рамках досліджень з оцінки технічного стану стінових конструкцій житлових будинків № 114, 116А, 120А, 120Б по вул. Жилянській у м. Києві, побудованих на початку ХX ст. Першою частиною досліджень було установлення фактичної міцності цегли і розчину в кладці зовнішніх стін, за результатами яких і з урахуванням візуального огляду були визначені ділянки стін з умовно „бездефектною” кладкою. На цих ділянках були визначені середні значення частот FH, що відповідають товщинам і середні квадратичні відхилення SF. Для підвищення точності вимірювань частотних піків оброблялась початкова частина одиночних імпульсів. За запропонованим критерієм (9) кладка за товщиною стін на обстежених ділянках була визнана однорідною. Для перевірки слушності вибраного критерію в стіні будинку № 116А, у якій розміщені ніші, вимірювання частот виконувались на ділянках із різною товщиною стіни. Він свідчить, що у разі зміни товщини в амплітудному спектрі з'являються додаткові частотні піки. Частотний пік 1,76 кГц відповідає меншій товщині стіни (55 см), а піки 0,78 і 1,17 кГц - більшій товщині (84 см). Збільшення частоти для меншої товщини значно перевищує її можливі зміни, пов'язані з допустимою неоднорідністю (FH + SF =1162 Гц), що підтверджує чутливість УЛМ до зміни однорідності і товщини. З урахуванням того, що за результатами вимірювань УЗМ інформативні параметри в цеглі і розчині на зовнішній і внутрішній поверхнях мають близькі значення, можна зробити висновок, що зміна частоти (її середнє квадратичне відхилення) характеризує ступінь однорідності кладки за перерізом стіни однієї товщини.

Для перевірки правильності визначення частотних піків за формулою (8) розраховано товщину стін на умовно „бездефектних” ділянках. Порівняння розрахункових значень і фактичних значень товщини стін будинків 116А (відповідно 78 і 84 см) і 120Б (відповідно 92 і 91 см) підтвердило, що з урахуванням похибки виміряні частотні піки в амплітудних спектрах відповідають резонансам за товщиною стін. Отримані дані підтвердили чутливість УЛМ при оцінці однорідності кладки в разі одностороннього доступу й об'єктивність запропонованого критерію.

Висновки

дисперсійний будівельний ударний кладка

1. Розроблено і реалізовано нові методики визначення міцності матеріалів кладки з керамічних виробів ультразвуковим імпульсним методом. Їх основою є уперше отримані експериментальні та чисельні дані про кореляційні зв'язки міцнісних характеристик різних видів керамічних виробів і розчинів з часом поширення ультразвуку при поверхневому прозвучуванні. Методики використані в понад 80 практичних роботах при інструментальних обстеженнях об'єктів, що реконструюються.

2. Обґрунтовано необхідність і розроблено новий підхід комплексного використання акустичних імпульсних методів у двох частотних діапазонах: ультразвуковому з оцінкою фактичної міцності кладки та звуковому з оцінкою однорідності кладки в конструкціях. Визначені найбільш ефективні методи їх практичної реалізації: ультразвуковий - для визначення міцності кладки, метод хвилі удару та ударний луна-метод - для оцінки однорідності кладки відповідно при дво - та односторонньому доступі до конструкцій.

3. Досліджено можливості використання дисперсійних кривих як критерію однорідності кладки в конструкціях при односторонньому доступі і встановлена їх недостатня ефективність. Запропоновано й обґрунтовано умови використання ударного луна-методу.

4. Отримано дані оптимальних параметрів ударних пристроїв для реалізації методу хвилі удару та ударного луна-методу. У процесі експериментальної верифікації досягнуто як якісний, так і кількісний (з середньою різницею 12%) збіг з розрахунковими даними. Метод хвилі удару та ударний луна-метод адаптовані до кам'яних конструкцій.

5. Обґрунтовано вибір і виконано перевірку ефективності критеріїв оцінки міцності матеріалів керамічної кладки і її однорідності в будівельних конструкціях для комплексного використання трьох методів: ультразвукового, хвилі удару та ударного луна-методу.

6. Створений і пройшов державну метрологічну атестацію в Укрметртестстандарті мобільний програмно-технічний комплекс ТКС-1, який з застосованим комп'ютером типу ноутбук реалізує на базі сучасних інформаційних технологій метод хвилі удару та ударний луна-метод. Він дає змогу виконувати вимірювання для оцінки однорідності кладки у великогабаритних кам'яних конструкціях як при двосторонньому, так і при односторонньому доступі.

7. Здійснено перевірку в натурних умовах комплексного використання методів, технічних засобів і запропонованих критеріїв оцінки міцності і однорідності кладки, що підтвердило їх достовірність та практичну ефективність при вирішенні проблеми отримання інформації для оцінки ресурсу кам'яних конструкцій із керамічних виробів.

8. Результати досліджень з використання ультразвукового методу, методу хвилі удару та ударного луна-методу можуть бути основою для розробки відповідних стандартів технічного діагностування кам'яних конструкцій.

Література

1. Глуховский В.П. Оценка остаточного ресурса кирпичных конструкций вследствие динамических воздействий // Будівельні конструкції: Міжвідомчий н.-т. збірник. - К.: НДІБК, 2006. - Вип. 64. - С. 524-529.

2. Глуховский В.П. Образцовая установка ОУ-1 для воспроизведения времени распространения ультразвука / Расчет и испытания строительных конструкций: Сб. научн. трудов. - М., 1987. - Деп. ВНИИИС. - Вып. 6, №7806.

3. Глуховский В.П., Слюсаренко Ю.С. Методическое обеспечение определения прочности кирпичной кладки обследуемых зданий // Будівельні конструкції: Міжвідомчий н.-т. збірник. - К.: НДІБК, 2001.- Вип. 54.- С. 201-206.

4. Глуховский В.П., Калюх Ю.И. Опыт применения ультразвукового метода для определения прочности кирпича // Світ геотехніки, 2007.-№1.- С. 13-16.

5. Глуховский В.П. Исследования наличия трещин и пустот в железобетонных конструкциях при импульсном воздействии // Будівельні конструкції: Міжвідомчий н.-т. збірник. -К.: НДІБК, 2006.- Вип. 65.- С. 291-296.

6. Глуховский В.П. Контроль качества заполнения трещин в бетоне с помощью ультразвука // Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб. научн. трудов. - Днепропетровск: ПГАСА, 2006. - Вып. 37. - С. 102-107.

Размещено на Allbest.ru