Выбор эффективного неразрушающего метода испытаний и компьютерное моделирование при реставрации кирпичных исторических зданий

На современном этапе развития строительной науки керамические материалы, в частности кирпич, получили по сравнению с прежним периодом весьма широкое распространение, успешно конкурируя или успешно сочетаясь с бетоном и железобетоном: из кирпича возводятся коттеджи, он в качестве облицовочного материала применяется наряду с легкобетонными блоками для заполнения стен многоэтажных монолитных железобетонных зданий.

Тем не менее, существующие методики и нормативные документы на определение основных физико-механических свойств материалов кирпичной кладки зданий разработаны достаточно давно и не учитывают ряд особенностей их материалов. Особо следует отметить развивающуюся область строительства в Москве, С-Петербурге и в других исторических городах России и ближнего зарубежья, связанную с восстановлением и реконструкцией (домов, храмов и т. п.) старинной застройки, которая в подавляющем своем большинстве выполнялась в свое время из красного глиняного полнотелого кирпича пластического прессования. Эти исторические здания, многие из которых являются памятниками истории и архитектуры, сегодня остро нуждаются в? защите, реставрации, а часто в воссоздании в ходе которых необходимы исчерпывающие знания о состоянии и особенностях структуры старинного кирпича и раствора. Очевидно, что получить эти знания можно только на основе применения современных, преимущественно неразрушающих методов испытаний, позволяющих дифференцированно в любых зонах и количествах получать информацию об особенностях структуры кирпичной кладки в реставрируемых сооружениях. Важнейшим в этом является осуществлять вычинку или восстановление деталей исторических памятников вновь изготовленным кирпичом, свойства которого в максимальной степени приближены к старинному кирпичу. В этом случае появляется реальная возможность замедления дальнейшего развития деструкционных процессов в сооружениях и продления их «жизни» на долгие годы.

Производство керамического кирпича в современных условиях в России так же имеет ряд значительных недостатков, которые существенно влияют на образование структурных неоднородностей и дефектов не только в готовой продукции, но и на стадии изготовления сырца. При этом контроль качества готовой продукции, который также не всегда проводится, до сих пор выполняется только визуально, на предмет выявления наличия видимых глазом дефектов. При подборе материалов для вычинки или перекладки поврежденных участков кладки на новые, при реставрации памятников архитектуры это может негативно сказаться на конечном результате, так как физико-механические свойства старой и новой кладок, могут существенно отличаться.

Существующие в настоящее время методы оценки прочности кирпича в подавляющем большинстве случаев основаны на применении механических разрушающих методов на основе стандартов, разработанных в 70−80 годах прошлого столетия.

Кроме использования существующих в настоящее время неразрушающих методов испытаний, в частности, ультразвука, весьма перспективным выглядит применение для анализа полученной при испытаниях информации современных цифровых технологий и компьютерного моделирования.

Активное развитие компьютерных вычислительных комплексов, основанных на методе конечных элементов, таких как, Ansis, Nastran, Лира и многих других позволяет выполнять сложные задачи, которые еще 10 лет назад считались весьма трудоемкими и дорогостоящими. Современные вычислительные комплексы достаточно быстро позволяют анализировать различные конструкции при любых комбинациях нагрузок и различных граничных условиях. Так, например, в программе «Лира» реализовано множество возможных конечных элементов, с помощью которых можно спрогнозировать напряженное состояние практически любых известных строительных конструкций по известным физико-механическим параметрам. К их числу относится и кирпичная кладка. Зная закон ее разрушения сегодня можно спрогнозировать ее поведение при различных граничных условиях и комбинациях загружений, как в линейной, так и в нелинейной постановке задачи. Это может позволить правильно подобрать материалы и их объемы для вычинки или перекладки поврежденных частей кирпичных конструкций. В случаях с памятниками истории и архитектуры это является важным шагом вперед, так как позволяет избежать дальнейшего прогрессирующего разрушения поврежденной различными воздействиями отдельной конструкции или здания в целом.

Совместный анализ состояния поврежденных кирпичных памятников архитектуры и культурного наследия с помощью современных неразрушающих методов определения физико-механических свойств и конечно-элементная модель конструкции или здания в целом способны помочь в правильном выборе методики для вычинки или перекладки кирпичной конструкции. Это позволяет сохранить на долгие годы уникальные сооружения и получить значительный экономический эффект.

Актуальность темы

.

Актуальность выбранной темы диссертации определяется практической необходимостью создания обоснованной методики подбора материалов и их объемов для вычинки или перекладки поврежденных частей зданий памятников архитектуры с помощью совместного анализа физико-механических свойств материалов кирпичной кладки и прогнозирования напряженного состояния восстанавливаемой конструкции или здания в целом с помощью современных расчетных комплексов, основанных на методе конечных элементов.

Анализ результатов имеющихся многочисленных инженерно-технических обследований памятников архитектуры, выполненных из кирпичной кладки, в которых автор данной диссертации принимал непосредственное участие, подчеркивает актуальность выбранной темы. Часто при обследовании данного типа зданий как в процессе реставрации или реконструкции, так и после них наблюдается то, что вычинка или перекладка поврежденных участков кладки или закладка проемов выполняется разнородными материалами, отличающимися по структуре и механическим свойствам. Часто материалы новой кладки, взамен поврежденной старой, подбираются с завышенными или заниженными жесткостными и другими характеристиками по отношению к старой, что в ряде случаев не только сводит на нет результаты реставрации или реконструкции, но и ухудшает условия работы сохранившейся старой кладки. Это может привести к дальнейшему разрушению отреставрированных участков кладки, а в местах концентрации напряжений и к дискретной (раздельной) работе частей конструкции.

Вопрос объемов замены поврежденных в каменных конструкциях исторических зданий на новые также подчеркивает актуальность выбранной темы. Часто строительные организации в погоне за объемами строительно-монтажных работ стараются выполнить больше замен в конструкциях памятников, досконально не разбираясь в функциональной пригодности тех или иных их частей. Заменяемые на новые конструкции исторических зданий часто вполне могут продолжать свое функционирование многие годы при соответствующем за ними уходе и защите. Также известно, что выполняя больше замен старых конструкций на новые в памятнике архитектуры, существует опасность утраты его как исторически значимого и ценного объекта, так как остается все меньше первоначальных его элементов. Все это часто вызывает споры между исполнителями строительно-монтажных работ, реставраторами и контролирующими историко-культурными организациями. Вопрос о целесообразности выполнения замены старых конструкций на новые и их объемы имеет также экономический аспект, так как поможет избежать существенных и не обоснованных финансовых затрат.

Исследования, проведенные 1950;1960;х годах, посвященные проблемами дефектоскопии и изучения свойств материалов кирпичной кладки, не позволяли решать задачи, на современном уровне и с использованием возможностей современного оборудования. Развитие неразрушающих методов и приборов определения основных физико-механических характеристик строительных материалов также подчеркивает актуальность выбранной темы. Современные приборы ультразвукового контроля качества и параметров кирпича и раствора кладки с высокой точностью позволяют выявлять наличие дефектов структуры, оценивать такие важные параметры материалов кирпичной кладки как прочность, плотность, модуль упругости и др., в любых местах конструкций без их разрушения и причинения им какого-либо вреда.

Таким образом, актуальность выбранной темы подчеркивается тем, что с появлением новых аппаратурных возможностей и цифровой обработкой имеющейся информации, появилась возможность в усовершенствовании методики, которая поможет в сохранении исторически ценных зданий и памятников путем определения оптимальных объемов поврежденных кирпичных конструкций и качественного подбора новых материалов для замены, по параметрам и свойствам максимально соответствующим требованиям для восстанавливаемой конструкции.

Объектом исследования являются кирпичные конструкций памятников истории и архитектуры, поврежденные в результате многолетнего воздействия различных негативных факторов и требующие восстановления путем вычинки, перекладки или с применением иных способов.

Предметом исследования является методика неразрушающих испытаний для определения физико-механических свойств материалов кирпичной кладки и анализа технического состояния конструкций памятников архитектуры и их напряженно-деформированного состояния на основе современных расчетных комплексов.

Научная новизна.

Одной из задач современной науки является изучение и разработка методики неразрушающего контроля прочности и структурной неоднородности исторического керамического глиняного кирпича. Одним из наиболее часто применяемых и перспективных методов неразрушающего контроля является ультразвуковой импульсный метод исследования. За последние 50 лет ультразвуковые методы контроля прошли значительный путь развития от первых опытов в лабораториях до практического внедрения их не только в современном строительном деле, но и во многих других областях промышленности [2,4,14,16,25 и др.]. Важным является и то, что в настоящее время производится и разрабатывается большое количество приборов ультразвукового контроля строительных материалов, как в образцах и конструкциях, так и непосредственно в существующих сооружениях.

Однако, даже при наличии относительного богатства выбора аппаратуры, и не смотря на очевидную перспективность методов, широко известных научных разработок, которые бы непосредственно могли быть отнесены к старой кирпичной кладке с использованием ультразвуковых методов в настоящее время не проводилось. Научные труды, написанные ранее, в основном касались новой строительной керамики и других новых материалов. Известно, что современный и старый строительные кирпичи из-за существенных различий в технологии их изготовления отличаются по составу и свойствам, а также имеют выраженную неоднородность структуры. Примеры неравномерного разрушения кирпича и кирпичной кладки в памятниках архитектуры можно встретить повсеместно. Есть также многочисленные примеры того, когда старый кирпич в отреставрированной кладке наряду с новым кирпичом разрушается от действия внешних факторов весьма интенсивно. Также есть примеры того, когда, наоборот, старый кирпич является более устойчивым к действию внешних агрессивных факторов, чем новый. Все эти примеры говорят" о том, что у старинного кирпича и кирпича, произведенного по современным технологиям, существенные отличия по структурным параметрам. Это приводит часто к тому, что усилия реставраторов не приводят к желаемому результату. А в последствие это не только сказывается на облике архитектурного памятника, но и приводит к значительным экономическим потерям. Иногда спустя 5−10 лет эксплуатации отреставрированного памятника его состояние оказывается худшим, чем было ранее до начала реставрации.

Как известно, физико-механические свойства кирпича и раствора кладки не постоянны во времени и меняются из-за негативного воздействия окружающей среды. «Классические» механические методы определения прочности обычно предполагают извлечение большого количества образцов кирпича и раствора из тела кладки при каждом инженерном обследовании. Для исторических зданий это часто не приемлемо потому, что приводит к ослаблению конструкций, работающих под нагрузкой. Применение современных приборов неразрушающего контроля позволяет исключить или значительно ограничить массовый отбор материалов кладки для последующего инженерного обследования. При этом имеется возможность увеличить объем получаемой информации.

Таким образом, научная новизна данной диссертационной работы заключается в следующем:

• Установлены зависимости между основными физико-механическими свойствами материалов кирпичной кладки конструкций исторически ценных зданий и параметрами ультразвука, полученными с помощью современной ультразвуковой аппаратуры, в том числе с применением точечных датчиков-преобразователей.

• Создана оптимальная технология анализа физико-механических свойств материалов кирпичной кладки исторических зданий непосредственно на объекте, основанная на неразрушающем ультразвуковом импульсном методе (далее УИМ) с применением точечных ультразвуковых преобразователей.

• Разработана методика построения модели для программного нелинейного анализа напряженно-деформированного состояния кирпичных конструкций исторических зданий, позволяющая оценивать эффективность применения различных материалов для их восстановления.

• Разработана эффективная методика подбора материалов и определения объемов для вычинки и перекладки поврежденных участков конструкций исторически ценных зданий, основанная на совместном применении УИМ неразрушающего контроля и анализе напряженно-деформированного их состояния с помощью метода конечных элементов (далее МКЭ-анализ).

Методы исследования.

Для анализа и подбора материалов для вычинки или перекладки нами предлагается использовать потенциал современных вычислительных расчетных комплексов на примере использования программы Лира. Совместно с применением неразрушающих методов физико-механического контроля материалов кладки это позволит более правильно подбирать необходимые материалы и оценивать их объемы для конкретных случаев.

Одним из наиболее перспективных и изученных методов неразрушающего контроля строительных материалов в настоящее время является ультразвуковой импульсный метод. Используя его можно проводить комплексные исследования с одновременной регистрацией характеристик упругости материала, прочности и однородности кирпича, как по всему его объему, так и локально.

Развитию этого метода может способствовать более глубокое изучение связей таких акустических показателей, как скорость распространения продольной, поперечной и поверхностной волн, логарифмического декремента колебаний и полного времени реверберации с прочностными и деформативными свойствами, как нового, так и старого строительной кирпича.

Опыт исследования и применения ультразвукового импульсного метода на объектах массового производства строительного кирпича и в исследовательских лабораториях говорит об успешном применении этого метода для экспресс-контроля прочности на сжатие, изгиб и установление, марки кирпича.

Ультразвуковой импульсный метод при массовом контроле прочности кирпича и бетона положительно зарекомендовал себя на кирпиче. При этом чувствительность УИМ к изменению структуры кирпича значимо выше, чем для бетона.

Но, несмотря на все положительные свойства ультразвукового импульсного метода, существуют определенные трудности в проведении испытаний и оценки их результатов. Они связаны с анизотропией и неоднородностью структуры кирпичей, особенно старых. Установлено, что в строительных кирпичах скорость распространения ультразвуковой волны зависит не только от средней прочности испытуемого образца, но и может значительно меняться в зависимости от избранного направления и места прозвучивания.

Исходя из изложенного, следует, что современный уровень развития неразрушающих методов испытаний и методов компьютерного анализа материалов экспериментов позволяет по-новому взглянуть на ряд проблем испытаний и оценки состояния зданий, в том числе памятников истории и архитектуры.

Цели и задачи диссертации.

На основании изложенного целью данной диссертации является усовершенствование методики диагностики состояния поврежденной кирпичной кладки и разработка методики подбора новых материалов при замене, переборке и вычинке поврежденных участков конструкций памятников истории и архитектуры.

Для достижения этой цели поставлены следующие задачи:

1. Выполнить анализ причин и характер повреждений кирпичных кладок при длительном периоде эксплуатации.

2. Выполнить анализ напряженного состояния кладок с различными жесткостными характеристиками.

3. Выполнить подбор оптимального неразрушающего метода испытаний для анализа состояния и физико-механических свойств материалов кирпичной кладки, а также для определения необходимых объемов вычинки или перекладки фрагментов исторических зданий.

4. Выбрать оптимальный тип датчиков ультразвукового контроля для исследования свойств материалов кирпичной кладки.

5. Разработать методику для рационального восстановления поврежденных участков кирпичной кладки исторических зданий.

Достоверность научных положений, рассмотренных в данной работе, анализировалась с помощью математического анализа и проведением лабораторных неразрушающих и разрушающих методов испытаний при определении физико-механических свойств материалов. Наблюдение в течение нескольких лет за деформированным состоянием нескольких памятников архитектуры города Москвы, и результаты нелинейного расчета стены одного из них приведены в данной работе и подтверждают достоверность принятого подхода.

В работу входит комплекс аналитических и лабораторных исследований, выполненных автором в 2001;2009 гг. в научно-исследовательской лаборатории при кафедре «Испытания сооружений» ГОУ ВПО МГСУ под руководством кандидата технических наук доцента Г. Б. Шмакова.

Научные положения, выносимые на защиту.

На защиту выносятся наиболее существенные результаты исследований, имеющие научную и практическую значимость:

• Методика определения физико-механических свойств материалов кирпичных конструкций объектов исторической ценности и их дефектоскопии с помощью современных приборов ультразвукового контроля и использования точечных датчиков-преобразователей.

• Методика выполнения пространственных нелинейных расчетов, основанных на методе конечных элементов, составленная для анализа материалов кирпичной кладки исторически ценных зданий.

• Методика диагностики состояния поврежденной кирпичной кладки и подбора для нее материалов при замене, переборке и вычинке поврежденных участков конструкций исторически ценных зданий.

• Результаты экспериментальных исследований основных физико-механических свойств и дефектоскопии материалов кирпичных конструкций объектов исторической ценности, выполненные с помощью современных приборов ультразвукового контроля и с применением точечных датчиков-преобразователей.

• Рекомендации по практическому проведению неразрушаюгцих испытаний кирпичных конструкций зданий исторической и культурной ценности с помощью приборов, основанных на ультразвуковом импульсном методе.

Практическая ценность результатов.

Разработанная методика подбора материалов для вычинки и перекладки при выполнении реставрационных работ, а также оценки напряженно-деформированного состояния конструкций памятников архитектуры с помощью МКЭ предлагается для практической деятельности специализированных организаций, занимающихся проблемами реставрации и реконструкции памятников архитектурного наследия, а также проектно-исследовательским организациям, занимающимся выполнением инженерно-обследовательских изысканий. Разработанная методика может быть использована для зданий и сооружений, относящихся к памятникам архитектурного наследия, выполненным из красного полнотелого кирпича и имеющим различные конструктивные схемы. Применение данной методики позволяет повысить эффективность замены поврежденных участков кладки памятников архитектуры путем вычинки или перекладки.

Область применения результатов включает не только объекты реставрации и реконструкции, но и современные здания, возведенные из полнотелого красного или силикатного кирпичей. Кроме того, при выполнении инженерных обследований зданий и сооружений, данная методика предполагает судить о физико-механических характеристиках материалов кладки всего здания не только по результатам определения прочности в выборочных локальных местах, но и значительно расширить область исследования, широко применяя возможности У ИМ.

Результаты диссертационной работы в качестве апробации её результатов были доложены на двух научно-технических конференциях института строительства и архитектуры МГСУ в 2005 и 2006 годах и на аспирантских семинарах кафедры «Испытания сооружений» МГСУ.

Результаты исследования применялись в лаборатории «Обследование и реконструкция зданий и сооружений» кафедры «Испытания сооружений» ФГБОУ ВПО «МГСУ» при выполнении инженерно-технических обследований и разработке рекомендаций по реставрации кирпичных конструкций памятников архитектурного наследия г. Москвы, таких, как здание МГУ на Моховой ул., д. 11 (XVIII век), Московская средняя специальная музыкальная школа им. Гнесиных (МССМШ), здания торговых рядов на ул. Никольская, д. 1 (XIX век).

Список публикаций.

По теме диссертации опубликовано 4 работы, из них 1 статья опубликована в издании, рекомендованном ВАК, и 3 статьи в сборниках трудов кафедр МГСУ.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Объем работы составляет 220 страниц, 105 рисунков, 20 таблиц и 4 приложения.

Список литературы

содержит 148 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основании выполненных экспериментально-теоретических исследований можно сделать следующие выводы:

1. Разрушение и деформирование конструкций происходит при совокупном действии различных факторов, которые затрагивают, как правило, многие связи, обеспечивающие целостность конструкций зданий. Один и тот же фактор является началом нескольких связанных или независимо действующих разрушающих процессов, которые максимально проявляются на различных временных отрезках. Комплекс противодействия процессам разрушения исторического памятника должен учитывать причины их возникновения. Материалы, применяемые для замены поврежденных участков кладки должны эффективно сопротивляться установленным причинам и процессам разрушения. Неверное определение причин разрушения элементов кладки приведет к неверному подбору материалов для их замены (вычинке, перекладке и т. п.).

2. Анализ выполненного компьютерного моделирования показал, что каждая кирпичная конструкция, требующая восстановления путем перекладки материалов или вычинки должна рассматриваться индивидуально.

В результате выполненных нелинейных расчетов и их анализа установлено, что использование материалов для восстановления, отличающихся по физико-механическим свойствам от первоначальных, в основном ухудшают работу сохранившейся части кирпичной кладки и приводят к следующим последствиям:

— разрушение материалов кладки в местах примыкания старой и новой частей кладки из-за образования концентраторов напряжений и температурных деформаций;

— изменение действительной (первоначальной) работы конструкции из-за общих перераспределений напряжений в теле кладки с возникновением дополнительных деформаций вследствие изменения цента тяжести сечения;

— применение боле жестких материалов оправдывается при симметричном восстановлении поврежденного сечения, которое устанавливает эффект кирпичной обоймы.

3. По результатам выполненной работы подбор материалов для восстанавливаемой кладки и определение их объемов для конкретной конструкции рекомендуется проводить с применением современных расчетных комплексов. Возможности этих комплексов позволяют выполнять задачи, возникающие при реставрации кирпичных кладок исторических памятников и выбирать оптимальные решения, исходя из действительных условий работы конкретной конструкции и ее физико-механических характеристик. В частности, эти комплексы на основе результатов проведенных предварительных инженерных обследований, позволяют подбирать материалы для восстановления кладки исходя из фактических жесткостных характеристик старой сохранившейся части кладки, действительного напряженного состояния восстанавливаемой конструкции и фактически действующих нагрузок и температурных воздействий.

4. Важнейшими критериями, которые необходимо учитывать при подборе материалов кирпичной кладки для восстановления поврежденных конструкций памятников архитектуры путем перекладки или вычинки, используя расчетные комплексы, являются следующие величины:

— коэффициент Пуассона (ц);

— удельный вес кирпича и раствора (До);

— параметры закона нелинейного деформирования;

— модули упругости при сжатии и растяжении ((Е+) и (Е-));

— предельные значения напряжений при сжатии (о (-)) и растяжении.

ШУ,.

— коэффициент линейного (объемного) расширения при значительных колебаниях температуры (температурных деформациях).

5. Установлено, что в настоящее время УИМ является одним из наиболее эффективных методов неразрушающих испытаний для оценки состояния, физико-механических свойств материалов кирпичной кладки, а также для определения необходимых объемов вычинки или перекладки поврежденных фрагментов исторических зданий.

6. Использование УИМ позволяет проводить испытания непосредственно в конструкциях на неограниченном числе участков, позволяя получать необходимую информацию о свойствах материалов практически по всему объекту обследований. Выполненный в данной работе комплекс ультразвуковых, тензометрических и разрушающих испытаний показал следующее:

— кирпич старинных зданий обладает выраженной неоднородностью;

— во всех случаях испытаний выявлено несовпадение геометрической и физической осей образцов, что свидетельствует об их работе под нагрузкой как внецентренно-сжатых элементов;

— исследование влияния действующей нагрузки на измеряемую скорость ультразвука в кирпичных образцах показал, что возможная погрешность ультразвуковых измерений при их выполнении непосредственно в конструкциях составит не более 5%, при условии выбора зон выполнения измерений без дефектов виде трещин;

— в зависимости от конкретных условий ультразвуковые измерения возможны при сквозном, поверхностном, а также диагональном прозвучивании;

— проведение ультразвуковых испытаний при сквозном прозвучивании отобранных из кладки образцов кирпича необходимо выполнять на базе 6.5 I см со стороны ложка. Рекомендуется проводить прозвучивание кирпича в сооружении при поверхностном и диагональном способе на базе 4 см, как на поверхности тычка кирпича в кладке, так и на поверхности ребра. Прозвучивание растворных швов кирпичной кладки предпочтительно проводить в зонах без трещин и биологических повреждений на базах от 6 до 8 см.

7. Показаны преимущества точечных преобразователей-концентраторов при проведении ультразвуковых измерений на кирпичных поверхностях при сквозном, одностороннем, диагональном прозвучивании и на растворных швах. Данный тип датчиков позволяет увеличить точность до 1.5 раз при сквозном прозвучивании и до 3.5 раз при одностороннем (поверхностном). Значительно повышается и производительность ультразвуковых испытаний.

8. Разработана усовершенствованная методика для рационального восстановления поврежденных участков кирпичной кладки исторических зданий, определения объемов и качества заменяемых материалов в существующих конструкциях и подбора заменяющих конструкционных материалов. Предлагаемая методика базируется на совместном применении УИМ и расчетных комплексов, что позволит повысить точность и сократить сроки выполнения инженерно-изыскательских работ, уменьшить финансовые затраты, эффективнее и качественнее производить реставрационные работы с целью сохранения на долгие годы имеющегося историко-архитектурного наследия.