Главная » Литература » Эксплуатация. Ремонт. Реконструкция. Обследования » Лужин - Обследование и испытание сооружений
Лужин - Обследование и испытание сооружений
Обследование и испытание сооружений
О. В. Лужин. 1987.
Приведены основные данные о методах и средствах обследования и испытания строительных конструкции и сооружений. Рассмотрены современные методы контроля качества изготовления и монтажа строительных конструкций, даны методы натурных модельных исследований, указана область эффективного использования современной вычислительной техники.
Для студентов вузов, обучающихся по специальности «Промышленное и гражданское строительство».
ПРЕДИСЛОВИЕ
В Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986—1990 годы и на период до 2000 года ставятся задачи о кардинальном повышении уровня строительного производства, рациональном использовании сырьевых ресурсов, коренном улучшении качества продукции. Особое внимание уделяется техническому перевооружению действующих предприятий, существенно возрастает доля средств, направленных на реконструкцию зданий и сооружений.
Решение поставленных задач непосредственно связано с более полным изучением действительного состояния исследуемых конструкций. Как следствие углубленного изучения действительной работы конструкций и сооружений возникает возможность построения расчетных моделей, которые позволяют более полно отобразить напряженно-деформированное состояние строительных конструкций.
Построение расчетных моделей возможно лишь при глубоком изучении поведения реальных объектов, которое позволяет дать заключение о соответствии между ними. В связи с отмеченным возникает актуальная проблема об установлении взаимосвязи экспериментальных и теоретических исследований. В основе изучения поведения строительных конструкций стоит эксперимент. Чтобы гарантировать достоверность результатов, полученных при проведении экспериментальных исследований, необходимо поставить в соответствие полученные результаты определенным, требованиям, предъявляемым к метрологическому обеспечению эксперимента.
Особую значимость в настоящее время приобретает внедрение фундаментальных наук в основу изучения данных, получаемых в результате проведения эксперимента. Необходимость совершенствования современных методов расчета строительных конструкций обусловлено внедрением в практику методов теорий вероятностей, надежности, математической статистики. Успешное развитие теоретических методов невозможно без получения экспериментальной информации, собранной и обработанной в соответствии с требованиями математической статистики. В связи с этим возрастают требования к точности и единству измерения физических величин, характеризующих свойства и состояния строительных материалов, конструкций и сооружений на всех технологических стадиях: проектирование, изготовление, транспортировка, монтаж, эксплуатация, реконструкция. Роль обследования и испытания конструкций на всех этих этапах чрезвычайно велика. Результаты испытания материалов и изучение работы конструкций дают определенную информацию проектировщику о прочности материалов и действующих нагрузках.
При изготовлении изделий осуществляется инструментальный контроль качества, позволяющий существенно повысить культуру производства. Методы испытания позволяют выявить те дополнительные изменения состояния конструкций, которые появляются при транспортировании. На стадии монтажа и приемки в эксплуатацию готовых зданий и сооружений объективную информацию об их состоянии можно получить только при использовании современной измерительной техники.
В процессе эксплуатации и реконструкции зданий и сооружений возникает необходимость их обследования, что осуществляется в настоящее время с использованием современной аппаратуры. Таким образом, роль курса «Обследование и испытание сооружений» в оценке свойств и состояния строительных материалов, конструкций, зданий и сооружений очень велика. В нем изучаются методы и средства экспериментального исследования состояния различных строительных объектов. Излагаемый в учебнике материал основан на тех знаниях, которые студент получил в области математики и физики, строительных материалов, сопротивления материалов и строительной механики, а также в курсах металлических, железобетонных, каменных конструкций, конструкций из дерева и пластмасс.
Учебник содержит 13 глав, которые образуют три составные части. Главы 1—5, 10 и 11 содержат материал, связанный с методами и средствами экспериментальных исследований. В главах 6—9 даны методы обследования конструкций, зданий и сооружений. В главах 12, 13 отражена специфика экспериментального изучения свойств, состояний оснований и фундаментов, зданий, сооружений электрических и атомных станций.
Главы 1, 2, 5, 11 написаны О. В. Лужиным, главы 3, 4, 10 — А. Б. Злочевским, главы 6—9 — И. А. Горбуновым, главы 12 и 13 — В. А. Волоховым. Авторы выражают благодарность сотрудникам кафедры металлических и деревянных конструкций Киевского инженерно-строительного института доцентам, канд. техн. наук В. А. Владимирскому и Я. А. Березинскому и проф., д-ру техн. наук Ю. Н. Хромцу за ценные замечания, которые учтены авторами.
ГЛАВА 1
ОБСЛЕДОВАНИЕ И ИСПЫТАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ, ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
1.1. Цели и задачи обследования и испытания сооружений
Цели и задачи рассматриваемой дисциплины — разработка методов и средств, предназначенных для качественной и количественной оценки показателей, характеризующих свойства и состояния функционирующих объектов, а также опытного изучения процессов, протекающих в них, выявления экспериментальным путем конструктивных и эксплуатационных свойств материалов, элементов конструкций, зданий и сооружений и установления их соответствия техническим требованиям.
Обследование строительных конструкций, зданий и сооружений содержит в себе методы контроля качества изготовления и монтажа элементов строительных конструкций, обеспечивающие соответствие объекта проектным значениям и отображение действительной работы систем. Так, на заводах железобетонных изделий выпускаемые железобетонные сплошные панели для перекрытия жилых и общественных зданий согласно соответствующему ГОСТу должны изготовляться в соответствии с рабочими чертежами и удовлетворять определенным техническим требованиям. Устанавливаются допускаемые отклонения от проектных размеров по длине, ширине, толщине, неплоскостности, разности длин диагоналей, смещению закладных деталей, толщине защитного слоя. Материалы, применяемые для приготовления бетона, должны удовлетворять требованиям стандартов на эти материалы и обеспечивать получение бетона заданных классов по прочности и марок по морозостойкости. Толщина защитного слоя бетона для рабочей арматуры должна соответствовать значению, указанному в рабочих чертежах. Нижняя поверхность панели перекрытия должна быть подготовлена под окраску, на ней не допускаются местные наплывы бетона, жировые и ржавые пятна, раковины и открытые воздушные поры, а стальные закладные детали и выпуски арматуры должны быть защищены от коррозии.
Изучение состояния монтируемой или эксплуатируемой конструкции при работе в реальных условиях обеспечивается теми же методами, что и при контроле качества их изготовления, но зачастую возникает ситуация, когда для эксплуатируемого объекта отсутствует проектная и рабочая документация, тогда их восстановление связано с изучением реальных условий работы системы. К подобной ситуации можно отнести и тот случай, когда необходимо определить работоспособность системы с учетом отклонения ее параметров от проектных.
Повышенные требования предъявляются к методам обследования при анализе причин аварий в результате повреждений конструкций в процессе монтажа и эксплуатации и катастроф— аварий, повлекших за собой человеческие жертвы. Проводимые обследования строительных конструкций и сооружений позволяют выявить наиболее характерные дефекты и разработать рекомендации по уточнению методов расчета тех или иных конструкций, совершенствованию их конструктивных схем, технологии изготовления и монтажа строительных конструкций.
Эффективность методов обследования строительных конструкций зданий и инженерных сооружений может быть проиллюстрирована на примере разработки антисейсмических мероприятий при строительстве зданий в г. Газли. Основой для разработки мероприятий послужили материалы обследования построек после происшедшего в
Основная задача испытаний сооружений заключается в установлении соответствия между реальным поведением строительной конструкции и ее расчетной схемой. Инженерные сооружения представляют собой достаточно сложные механические системы, состоящие из большого числа элементов, работающих в условиях сложных напряженно-деформируемых состояний и образующих пространственные конструкции. Несмотря на существенное развитие современной строительной механики, на широкое привлечение к расчетам быстродействующей вычислительной техники при рассмотрении конкретных объектов, в том числе и строительных конструкций, возникает необходимость идеализации расчетных схем, которые учитывают лишь главные, основные свойства, характеризующие состояние реальной конструкции.
Кроме того, поведение строительных конструкций характеризуется рядом факторов, носящих случайный характер, например прочностные характеристики даже такого однородного материала, как сталь, подвержены разбросу. Так, анализ пределов текучести для стали марки Ст. 3, проведенный Н. С. Стрелецким, показал, что предел текучести может изменяться от 200 до 320 МПа. Еще больший разброс прочности имеют бетон и древесина. Значительной изменчивостью характеризуются нагрузки, действующие на строительные конструкции, здания и сооружения: собственный вес, ветер и снег, крановые нагрузки и др. Процесс изготовления отдельных элементов конструкций, их транспортировка и монтаж также влияют на возможность появления случайных отклонений от заданных размеров. Эти отклонения регламентируются соответствующими технологическими допусками.
Цель испытаний — выявление поведения инженерных сооружений, конструкций и материалов, из которых изготовлены элементы. Испытания могут проводиться как в лабораторных, так и в реальных условиях, как на моделях, так и на реальных объектах.
1.2. Методы обследования и испытания сооружений
В условиях ускорения научно-технического прогресса происходит интенсивное совершенствование различных технологических процессов. Это влечет за собой замену устаревшего оборудования на новое, высокопроизводительное, работающее на более высоких скоростях, что может привести к повышению нагрузок, передаваемых на строительные конструкции. Создание гибких производств связано с изменением архитектурно-планировочных решений для эксплуатируемых зданий и сооружений. Реконструкция старого жилого фонда и приведение уровня его комфортности к современным требованиям обусловливают необходимость оценки действительного состояния жилых зданий. Перед инженерами-строителями ставится задача оценки состояния эксплуатируемых строительных конструкций, зданий и сооружений, решения вопроса о возможности их дальнейшей эксплуатации или реконструкции и усиления. Решение поставленных задач связано с обследованием конструкций и сооружений, результаты которого позволяют подготовить соответствующие рекомендации.
На их основе инженеры-проектировщики разрабатывают необходимые конструктивные решения. Обследование строительных конструкций состоит из трех основных этапов: первоначальное ознакомление с проектной документацией, рабочими и исполнительными чертежами, актами на скрытые работы; визуальный осмотр объекта, установление соответствия объекта проекту, выявление видимых дефектов (наличие трещин, протечек, отслоений защитного слоя в железобетонных элементах, коррозии металлических элементов, прогибов элементов, состояние стыков, сварных, болтовых и заклепочных соединений и т. д.), составление плана обследования сооружения, проведение комплекса исследований неразрушающими методами. Анализ состояния сооружения и разработка рекомендаций по устранению выявленных дефектов. Ознакомление с проектной и исполнительной документацией позволяет дать оценку принятым конструктивным решениям, выявить элементы сооружений, работающие в наиболее тяжелых условиях, установить значения действующих нагрузок. Визуальная оценка сооружения дает первую исходную информацию о состоянии обследуемой конструкции, позволяет судить о степени износа элементов конструкции, дает возможность конкретизировать дальнейшее проведение испытания. В первую очередь это связано с применением неразрушающих методов испытаний, т. е. таких методов, которые не приводят к разрушению отдельных элементов и конструкции в целом. Такие испытания могут проводиться как при статическом нагружении конструкции, так и при динамическом воздействии нагрузок. Комплекс таких испытаний включает определение значений геометрических параметров сооружения (пролеты, толщины, высоты и т. д.), прочностных и структурных свойств материала, толщины защитного слоя бетона, расположения арматуры, прогибов и деформаций элементов, динамических амплитуд перемещений, периодов колебаний конструкций, ускорений отдельных точек и пр. При обследовании сооружений широко применяются методы инженерной геодезии, с помощью которых измеряются осадки зданий и сооружений, их сдвиги, параметры трещин и деформационных швов, прогибы элементов конструкций. Методами инженерной фотограмметрии определяются перемещения точек и деформации элементов конструкций при статических и динамических воздействиях. В последнее время эффективно развиваются методы лазерной интерференции. Аналогичные методы используются при контроле качества изготовления элементов строительных конструкций и их монтажа на строительных площадках.
Контроль качества изготовления элементов строительных конструкций производится с использованием неразрушающих и разрушающих методов испытаний. Однако подвергать каждое изделие испытаниям до разрушения является абсурдным, так как при этом не выйдет за пределы ворот комбината или завода ни одно изделие, которое будет использовано в практике строительства, хотя при этом информация о действительной работе изделия будет обладать 100%-ной обеспеченностью. Неразрушающий метод не всегда дает полную характеристику испытуемого объекта, поэтому эти два метода используются в совокупности. Если провести неразрушающие и разрушающие испытания определенного количества объектов, а затем сопоставить результаты испытаний, то можно установить определенную взаимосвязь между ними.
Итак, испытания конструкций зданий и сооружений являются составным элементом обследования, но по своей методологии, по аппаратурному обеспечению и по методам обработки представляют самостоятельное направление экспериментальной механики. Цель этого направления состоит в создании методов и средств, позволяющих на базе экспериментальных исследований получить объективную информацию о свойствах конструкционных материалов, поведении элементов конструкций и действительной работе сооружений. Никакой, даже самый точный расчет, с точки зрения использования вычислительной техники, не может дать объективной информации о действительном поведении реальных систем.
В строительной механике, теории упругости и пластичности, сопротивлении материалов изучаются самые современные методы расчета идеализированных расчетных схем, но любой из этих методов должен быть построен на объективной информации, полученной из опыта, и ни один из них не может быть рекомендован к использованию для практических расчетов без его экспериментальной проверки. Парадоксальным является то, что в рамках сформулированных расчетных схем с использованием современных ЭВМ можно получать результаты расчета с погрешностью 10~8 и менее (это определяется числом цифр значения величины, выдаваемой на цифропечать, или точностью выдачи информации на графопостроитель), тогда как исходная, вводимая в расчет информация по нагрузкам, прочностным характеристикам и отклонениям параметров действительного сооружения от его расчетной схемы характеризуется погрешностью, реально определяемой в пределах 20—10%. Это не снижает роль современных методов теории расчета сооружений, а лишь подчеркивает необходимость взаимной увязки точности методов расчета сооружений с точностью исходных предпосылок, определяемых экспериментом, и точностью получаемых результатов, фиксируемых при проведении эксперимента.
Существенное влияние на формирование методов и средств испытания конструкций оказывает характер изменения внешних нагрузок, действующих на строительные конструкции, здания и сооружения. Здесь различают статические нагрузки, которые постоянны по значению либо медленно изменяются во времени, и динамические, изменяющиеся во времени. Можно сформулировать три основные задачи, которые решаются с помощью методов и средств испытания строительных конструкций, зданий и сооружений. К первой задаче следует отнести определение теплофизических, структурных, прочностных и деформативных свойств конструкционных материалов и выявление характера внешнего воздействия, передаваемого на конструкции. Вторая задача связана с сопоставлением расчетных схем строительных конструкций, усилий и перемещений, которые определяются расчетным путем, ' с соответствующими усилиями и перемещениями, возникающими в реальной конструкции или ее модели.
Третья задача — идентификация расчетных моделей, которая получила развитие лишь в последние годы. Эта задача связана с синтезом расчетных схем, который следует из анализа результатов проведенных экспериментальных исследований. Теоретически решение этой задачи смыкается с проблемами кибернетики, в частности с проблемой «черного ящика». Однако в отличие от классической постановки проблемы при рассмотрении практических задач известны некоторые характерные параметры системы, к которым можно отнести информацию о геометрии конструкции в плане, определяемой архитектурно-планировочными решениями, о типе или характере несущих конструкций, о наборе конструктивных элементов, применяемых в сооружениях. На основании анализа экспериментально полученных данных о внешних воздействиях и реакции системы (прогибы, деформации, скорости, ускорения) в рамках заданной расчетной модели выявляются ее параметры.
1.3. Основы метрологии и стандартизации в строительстве
В условиях ускорения научно- технического прогресса в строительстве особое значение придается унификации строительных конструкций, деталей и узлов, повышению качества изготовления и монтажа строительных конструкций. Решение поставленных задач требует существенного повышения роли метрологии и стандартизации в строительстве. Метрология — это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. В метрологии рассматриваются: общая теория измерений, единицы физических вели- чин и их системы, методы и средства измерений, методы определения точности измерений, основы обеспечения единства измерений и единообразия средств измерений, методы передачи размеров единиц от эталонов или образцовых средств измерений рабочим средствам измерений. Метрология является научной основой метрологического обеспечения, под которым понимают установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений. Метрологическое обеспечение включает следующие системы: государственных эталонов единиц физических величин, обеспечивающую воспроизведение единиц с наивысшей точностью; передачи размеров единиц физических величин от эталонов всем средствам измерений с помощью образцовых средств измерений и других средств поверки;
разработки, постановки на производство и выпуска в обращение рабочих средств измерений, обеспечивающих определение с требуемой точностью характеристик продукции, технологических процессов и других объектов в сфере материального производства, научных исследований и других видов деятельности; стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов, обеспечивающих достоверными данными научные исследования, разработку технологических процессов получения и использования материалов и конструкций. Кроме того, в метрологическое обеспечение входят: государственные испытания или метрологическая аттестация средств измерений, предназначенных для серийного или массового производства и ввоза их из-за границы партиями, обеспечивающими единообразие средств измерений при их разработке и выпуске в обращение; обязательная государственная и ведомственная поверка средств измерений, обеспечивающая единообразие средств измерений при изготовлении, эксплуатации и ремонте; стандартные образцы состава и свойств веществ и материалов, обеспечивающие воспроизведение единиц величин, характеризующих состав и свойства веществ и материалов.
Определим основные понятия, связанные с поверкой средств измерений. Поверка средств измерений — определение метрологическими органами погрешностей средств измерений и установление их пригодности к применению. Различают государственную (производится органами государственной метрологической службы) и ведомственную (производится органами ведомственных метрологических служб) поверку средств измерений.
Метрологическая аттестация средств измерений — исследование средств измерений, выполняемое метрологическими органами для определения метрологических свойств этих средств измерений, и выдача документа с указанием полученных данных. Поверочная схема — утвержденный в определенном порядке документ, устанавливающий средства, методы и точность передачи размера единицы физической величины от эталона рабочим средствам измерений. Различают общесоюзные и локальные (отдельных органов метрологической службы) поверочные схемы. Средства поверки — это технические средства, необходимые для осуществления поверки средств измерений в соответствии с требованиями нормативно-технических документов на методы и средства поверки. Средства поверки включают в себя рабочие эталоны, образцовые средства измерений, в том числе стандартные образцы и образцовые меры, вспомогательные приборы, устройства и материалы, поверочные приспособления.
Средства измерений — это технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики. Они состоят из системы мер, измерительных приборов и преобразователей, а также измерительных * установок и систем. Под измерительным прибором понимают средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдения. Измерительный преобразователь — средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдением. Измерение — это процесс нахождения какой-либо физической величины с помощью технических средств и сравнения с эталоном. Измерение включает следующие элементы: объект измерения, свойства или состояние которого характеризует измеряемая величина; единицу измерения; техническое средство измерения, градуированное в выбранных единицах; метод измерения; регистрирующее устройство, воспринимающее результат измерения; окончательный результат измерения.
Измерения характеризуются рядом параметров: погрешностью измерения — разностью между истинными и измеренными значениями величин; точностью измерения — степенью приближения результатов измерения к истинному значению; достоверностью измерения — вероятностью отклонения измерения от истинного значения; диапазоном измерений — областью значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средств измерений; ценой деления шкалы — разностью значений величины, соответствующей двум соседним отметкам шкалы; пределом измерений — наибольшим и наименьшим значением диапазона измерений; чувствительностью измерительного прибора — отношением изменения сигнала на выходе измерительного прибора к вызвавшему его изменению измеряемой величины.
Различают три класса измерений: особо точные, высокоточные и технические. Особо точные — связаны с установлением эталона, высокоточные измерения проводятся при градуировании измерительных систем, а также при проведении измерений в особо ответственных испытаниях. Технические — применяются в практике испытаний строительных конструкций. Всякое измерение неизбежно связано с погрешностями измерений. Погрешности, порожденные несовершенством метода измерений, неточной градуировкой и неправильной установкой измерительной аппаратуры, называют систематическими. Систематические погрешности исключают введением поправок, найденных экспериментально. В настоящее время для устранения систематических погрешностей применяется микропроцессорная техника. Случайные погрешности обусловлены влиянием на результаты измерений неконтролируемых факторов
(случайные колебания температуры, вибрация и т. д.). Такие погрешности оцениваются методами математической статистики по данным многократных измерений. При измерениях могут возникать грубые ошибки, вызванные неисправностью измерительных систем, ошибками регистратора и т. д.
Эти ошибки также могут быть выявлены методами математической статистики. Проблемы метрологического обеспечения измерений неразрывно связаны с задачами, стоящими перед стандартизацией. Стандартизация — это установление и применение правил для упорядочения деятельности в определенной области на пользу и при участии всех заинтересованных сторон и, в частности, для достижения всеобщей оптимальной экономии при соблюдении функциональных условий и требований техники безопасности. Объектами стандартизации являются конкретная продукция, нормы, требования, методы, термины, обозначения и т. д., имеющие перспективу многократного применения, используемые в науке, технике, строительстве. В строительстве стандартизации подлежат методы расчета и проектирования конструкций и сооружений, требования к материалам и изделиям, допуски на стадии монтажа и строительства конструкций зданий и сооружений, методы испытаний и про- ведения измерений, методы представления и обработки получаемых результатов измерений и т. д. В зависимости от сферы действия стандарты разделяются на четыре категории: государственные (ГОСТ), отраслевые (ОСТ), республиканские (РСТ) и стандарты предприятий (СТП). Государственные стандарты в области строительства и строительных материалов утверждаются Госстроем СССР.
В настоящее время проводится большая работа по стандартизации странами — членами Совета экономической взаимопомощи (СЭВ), которая согласуется с задачами Комплексной программы дальнейшего углубления и совершенствования сотрудничества и развития социалистической экономической интеграции стран — членов СЭВ. Утвержденные странами — членами СЭВ стандарты сокращенно обозначаются СТ СЭВ. В области строительства наряду со стандартами действуют строительные нормы и правила (СНиП). Эти документы содержат отдельные общие элементы, но в целом они существенно различны. СНиПы устанавливают требования ко всей строительной продукции и содержат нормы строительного проектирования, тогда как ГОСТы содержат требования к строительным материалам и изделиям массового производства, методам испытания материалов и конструкций, измерений, обработки и представления результатов. В зависимости от содержания стандарты подразделяются на 13 отдельных видов. С точки зрения освидетельствования и испытания конструкций и сооружений наибольший интерес представляют следующие: стандарты технических условий, которые, в частности, содержат всесторонние требования к продукции при ее изготовлении, поставке и эксплуатации, регламентируют методы испытаний, правила приемки; стандарты технических требований, которые нормируют показатели качества, надежности и долговечности продукции, устанавливают срок службы и т. п.; стандарты методов испытаний, которые включают требования о порядке отбора проб или образцов, методы испытаний материалов и изделий, используемые для оценки качества продукции. Эти стандарты обеспечивают единство методов и средств испытаний.
В стандартах на методы испытаний содержатся также требования к измерительным приборам, инструментам и установкам, используемым для контроля показателей качества изделий; стандарты правил приемки, маркировки, упаковки, транспортирования и хранения, которые регламентируют, в частности, порядок приемки изделий, вид и программу испытаний при приемке.
В большинстве строительных стандартов даны совмещающие данные, свойственные стандартам нескольких видов. Стандарты существенно влияют на темпы развития и уровень производства. Базируясь на последних достижениях науки, техники и практического опыта, стандартизация во многом не только фиксирует достигнутый уровень производства, но и является одним из рычагов прогресса науки и техники.
...