Развитие и совершенствование вибрационного метода контроля качества предварительно напряженных изгибаемых железобетонных конструкций в виде плит

Актуальность работы. Современные методы испытаний строительных конструкций широко применяются как для исследования их напряженно-деформированного состояния (НДС) в период эксплуатации так и для оценки качества и надежности при их изготовлении на заводах стройиндуст-рии. Среди строительных конструкций наиболее распространенными являются сборные железобетонные конструкции. При больших объемах производства сборного железобетона на первый план выдвигаются проблемы контроля качества конструкций и надежности их эксплуатации. Регламентируемые ГОСТом 8829−94 [59] статические разрушающие испытания железобетонных конструкций проводятся в заводских условиях с целью установления их основных параметров качества: прочности, жесткости и трещиностойко-сти. Для этого производят выборку нескольких экземпляров из партии изделий, по результатам испытаний которых судят о качестве всей партии. Основными недостатками такого метода являются: отсутствие гарантии надежности и качества всех неиспытанных изделий из контрольной партии, технологическая неэффективность, а также неэкономичность метода, требующего разрушения большого количества изделий.

Наиболее перспективными для этих целей являются неразрушающие методы контроля, в частности, вибрационные методы. Несмотря на очевидные преимущества и определенные достижения в развитии этих методов в машиностроительных отраслях народного хозяйства, в настоящее время они не находят должного распространения на предприятиях строительной индустрии. В нашей стране отсутствует стандарт на применение вибрационных методов для контроля физико-механических параметров и оценки качества готовых строительных конструкций.

Одной из основных причин такого положения является отсутствие надежного методологического обеспечения, основанного на фундаментальных закономерностях строительной механики.

Поэтому совершенствование вибрационных методов контроля качества железобетонных предварительно напряженных конструкций, изучение и уточнение закономерностей взаимосвязи интегральных параметров качества этих конструкций с их динамическими характеристиками является актуальной задачей, имеющей важное народнохозяйственное значение.

Цель исследования состоит в развитии и совершенствовании методики вибрационного контроля интегральных параметров, определяющих качество строительных конструкций в виде балок и плит и, в частности, железобетонных предварительно напряженных плит пустотного настила.

Основными задачами исследования являются:

— проведение теоретических и экспериментальных исследований функциональной связи между статическим прогибом и основной частотой колебаний плитных и балочных конструкций;

— теоретическое обоснование выбора основной частоты колебаний в качестве динамического критерия для оценки параметров качества таких конструкций;

— разработка способов для определения отдельных параметров НДС тонких плит (пластинок) сложной формы с однородными и комбинированными граничными условиями;

— проведение экспериментальных исследований пластинок на моделях динамическим и статическим методами для подтверждения установленных теоретическим путем закономерностей деформирования;

— усовершенствование методики известного вибрационного метода оценки параметров качества предварительно напряженных железобетонных балочных плит;

— проведение натурных экспериментальных исследований партии железобетонных плит пустотного настила динамическим (неразрушающим) и статическим (разрушающим) методами и сопоставление результатов.

Метод исследования. Использованы экспериментальные методы исследования плит и балок — статический (разрушающий) и вибрационный (не-разрушающий). При проведении теоретических исследований были использованы классические методы теории упругости и строительной механики, включая вариационные методы.

При обработке экспериментальных данных применялись как аналитические, так и численные методы (методы физического и математического моделирования, методы регрессионного анализа и математической статистики).

Экспериментальные исследования проводились на специальном стенде с использованием серийных и уникальных средств измерений.

Обработка данных проводилась с использованием ЭВМ. В работе применялось стандартное программное обеспечение (система автоматизированных математических расчетов MathCAD 8, векторный графический редактор AutoCAD R14, табличный процессор Excel 2000, графическая программа Table Curve v 1.10).

Достоверность научных положений диссертации подтверждается:

— применением фундаментальных принципов и методов строительной и экспериментальной механики;

— сопоставлением полученных экспериментальных результатов с другими результатами, известными в научной и справочной литературе.

Научная новизна диссертационной работы:

— установлена закономерность, связывающая максимальный статический прогиб при поперечном изгибе пластинок и балок под действием равномерно распределенной нагрузки с их основной частотой колебаний;

— проведено теоретическое обоснование выбора наиболее информативного динамического параметра для контроля качества предварительно напряженных железобетонных панелей пустотного настила;

— разработаны способы определения физико-механических и динамических характеристик конструкций в виде пластинок с помощью моделей с использованием установленной закономерности;

— проведены экспериментальные исследования большой партии натурных конструкций в виде железобетонных предварительно напряженных многопустотных плит вибрационным (неразрушающим) и статическим (разрушающим) методами с анализом взаимосвязи основных динамических характеристик с параметрами качества этих конструкций;

— проведены пробные испытания и краткий анализ целесообразности применения вибрационных испытаний с использованием продольных волн колебаний звукового диапазона для диагностики качества железобетонных перемычек.

Новизна технических решений подтверждается выдачей автору одного патента РФ на изобретение и получением одного положительного решения по заявке на изобретение.

Практическая ценность. Разработанные способы определения интегральных параметров качества различных плитных конструкций с помощью вибрационного метода значительно облегчают проведение испытаний, позволяют использовать эти способы на предприятиях строительной индустрии для организации и проведения поточного контроля качества выпускаемых строительных изделий. Методология применения таких способов позволяет автоматизировать процесс контроля с использованием ЭВМ.

Результаты диссертационной работы используются в ОрелГАУ и ОрелГТУ в учебном процессе при изучении спецдисциплин «Строительные конструкции», «Обследование, испытания и реконструкция зданий и сооружений» студентами специальности 290 300 «Промышленное и гражданское строительство», а также при проведении научно исследовательской работы.

Апробация работы. Материалы и основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях: международной научно-технической конференции «Проблемы строительного и дорожного комплексов» (Брянск, БГИТА, 1998) — научно-практической конференции «Инженерное обеспечение агропромышленного комплекса» (Орел, ОГСХА, 1998) — всероссийской научно-технической конференции «Диагностика веществ, изделий и устройств» (Орел, ОрелГТУ, 1999) — научно-практической конференции «Вычислительная-техника в управлении производственным процессом в АПК» (Орел, ОГАУ, 1999) — международной научно-практической конференции «Качество, безопасность, энергои ресурсосбережение в промышленности строительных материалов и строительстве на пороге XXI века» (Белгород, БГТАСМ, 2000) — третьего всероссийского семинара «Проблемы оптимального проектирования сооружений» (Новосибирск, НГАСУ, 2000) — региональной научно-технической конференции молодых ученых и аспирантов Черноземья «Современные проблемы развития строительной механики, методов расчета сооружений и совершенствования строительной техники» (Орел, ОГТУ, 2000).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ, получен патент РФ на изобретение и положительное решение по заявке на изобретение.

На защиту выносится:

— теоретическое доказательство функциональной связи максимального прогиба пластинок с произвольными граничными условиями при их поперечном изгибе с основной частотой колебании;

— новые экспериментальные методы определения интегральных параметров качества строительных конструкций в виде плит и балочных плит с помощью вибрационного метода;

— результаты экспериментального исследования партии предварительно напряженных железобетонных плит пустотного настила в количестве — 24 штук.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка' используемых источников и приложений. Работа изложена на 162 странице,.включает 38 иллюстраций, 14 таблиц и 26 страниц приложений. Библиография включает 171 наименование работ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

Обобщая результаты проведенных в работе теоретических и экспериментальных исследований, можно сделать следующие выводы.

1. Теоретически и с помощью численного эксперимента установлена закономерность о функциональной взаимосвязи максимального статического прогиба пластинок, находящихся под действием равномерно распределенной нагрузки, с основной частотой их колебаний в ненагруженном состоянии, носящая фундаментальный характер: вне зависимости от формы пластинок и их граничных условий существует функциональная связь vq-q? вида: [со2 (- 52,191псо + 1,81со3 — 15,42со2 + 58,83со — 6,23)]хУ—, тсо где выражение в квадратных скобках необходимо считать безразмерным.

2. На основании этой закономерности разработан новый экспериментально-теоретический метод определения интегральных параметров пластинок (включая интегральные параметры качества) с использованием вибрационного воздействия в режиме резонансных колебаний.

3. Разработаны способы контроля различных физико-механических параметров пластинок с помощью интегрального метода, два из которых защищены патентами РФ на изобретения. Доказано, что при исследовании моделей можно изменять как граничные условия пластинок (в сторону их упрощения по сравнению с натурной плитой), так и их форму. Этот результат, дает возможность весьма существенного снижения трудоемкости при проведении испытаний плитных конструкций с помощью моделей.

4. Предложены некоторые приемы модификации существующего вибрационного метода контроля прочности, жесткости и трещиностойкости предварительно напряженных железобетонных плит пустотного настила (способ ступенчатого догружения, использование в качестве критерия частоты колебаний плит, использование эталонных графиков для оценки параметров качества серийных конструкций), существенно повышающие надежность.

116 полученных результатов.

5. Проведен большой объем лабораторных испытаний моделей-пластинок и производственных испытаний натурных конструкций серийного заводского изготовления с целью подтверждения новых предпосылок, установленных в работе.

6. Проведены поверочные исследования возможности использования стандартных фотопленок в качестве модулирующих клиньев для измерения виброперемещений с использованием оптоэлектронных преобразователей.

7. Экспериментальные исследования подтвердили теоретические выводы о том, что основная частота колебаний является весьма информативным динамическим параметром, который может служить критерием для интегральной оценки параметров качества и интегральных физико-механических характеристик пластинок.

8. Показана перспективность использования продольных волн звукового диапазона для контроля качества железобетонных конструкций и его распространения на конструкции переменной жесткости и работающие в условиях сложного сопротивления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Результаты проведенных в диссертационной работе исследований свидетельствуют о перспективности дальнейшего совершенствования вибрационного метода диагностики и контроля качества строительных конструкций и в частности, железобетонных конструкций.

Установленная в работе закономерность носит фундаментальный характер. Она позволяет по-новому взглянуть на причинно-следственные связи, изменения напряженно-деформированного состояния конструкций и дает возможность модификации существующих вибрационных методов, используемых в строй индустрии.

Дальнейшее совершенствование вибрационных методов, по нашему мнению, может идти в следующих направлениях:

— проведения экспериментальных исследований на конструкциях других видов и типов с целью накопления статистического материала;

— повышения точности измерения за счет внедрения новых методов и средств контроля;

— внедрение программных и автоматизированных комплексов для обработки результатов экспериментальных исследований с помощью ЭВМ;

— проведение сопоставительных испытаний конструкций с использованием поперечных и продольных волн колебаний звукового диапазона;

— исследование возможности приложения вибрационных методов для диагностики дефектов конкретного вида и мест их расположения;

— проведение более тщательного анализа по изучению поведения 5 в процессе нагружения конструкций;

— доведения разрабатываемых методик диагностики и контроля качества до широкого потребителя;

— разработка соответствующих нормативных документов и их утверждение в установленном порядке;

— внедрение в учебный процесс строительных вузов результатов научных исследований по применению вибрационных методов в строительстве.