В статье предложен метод натурного определения напряжений в стальных элементах нагруженных строительных конструкций. Метод базируется на линейной зависимости «напряжение-деформация», характерной для разгрузки стали. При отборе образца материала из конструкции по измеренным восстанавливаемым относительным деформациям можно установить величину напряжений, действующих в рассматриваемом сечении элемента. В работе приводятся обоснования применения режущего инструмента для выполнения работ по отделению фрагмента конструкции и тензометрического метода определения деформаций в образце. Оценены недостатки предлагаемого подхода, проанализирована область возможного применения метода натурного определения действующих напряжений.
Ключевые слова: тензометрический датчик, образец, разгрузка, определение деформаций, напряжения, напряженно-деформированное состояние, линейная зависимость, конструкция
При строительстве зданий и сооружений должны соблюдаться принципы оптимального проектирования [1], а принимаемые технические решения обеспечивать одновременно надежность и экономичность объекта. Особое внимание заслуживает технико-экономическое обоснование планируемых работ по реконструкции, детальная проработка которого в значительной степени определяет реализуемость проекта. В таких условиях поиск экономичных решений, гарантирующих конструктивную безопасность здания или сооружения, является актуальной задачей, направленной на обеспечение длительной безаварийной эксплуатации объекта.
Одним из важнейших вопросов, возникающих при обосновании реконструкции, особенно при планировании увеличения проектных нагрузок, является установление величины действующих напряжений в материалах строительных элементов и оценка необходимости дальнейшего усиления. Определение уровня нагружения конструкций выполняется преимущественно поверочным расчетом с введением значений нагрузок и физико-механических параметров материалов, полученных в результате детального (инструментального) обследования [2] и (или) установленных по требованиям действующих норм проектирования. При этом следует учитывать, что фактические значения напряжений в конструкциях зависят от многих факторов, среди которых могут быть выделены следующие:
− наличие механических дефектов и повреждений, включая отклонения от геометрических размеров, нарушение прямолинейности, местные деформации, трещины и т. д.;
− неоднородность прочностных и деформативных свойств материала (наиболее характерно для бетона);
− реологические свойства использованных материалов и степень их проявления;
− история нагружения, включая характер и уровень предшествующих нагрузок;
− проявление и накопление неупругих деформаций в материале;
− наличие коррозии, учет которой особенно затруднителен при ее неоднородном распределении по элементам;
− имевшие место усиления, особенно в случае проведения работ при неустановленных усилиях;
− возможные изменения расчетной схемы конструкции при эксплуатации.
Нормы проектирования предопределяют необходимость учета всех факторов, влияющих на напряженно-деформированное состояние элементов, однако в каждом конкретном случае данная задача настолько индивидуальна, что необходимы различные допущения и упрощения, неизбежно влияющие на результат аналитического определения уровня напряжений в материалах конструкций. При действии нескольких факторов расчет может носить только ориентировочный характер, примерно определяющий уровень нагружения конструкции. Для получения более точного результата определения напряжений предлагается применить экспериментальный вариант оценки с использованием известных методов измерения деформаций. Рассмотрим его на примере стальных элементов строительных конструкций (непосредственно металлические конструкции, арматура железобетонных элементов и др.).
В основу предлагаемого метода определения действующих напряжений положена закономерность линейного деформирования металла при разгрузке с различных уровней напряжения. Данную зависимость можно использовать при отборе образца металла из элемента при измерении относительных деформаций в пределах отделяемого участка. С этой целью на фрагмент исследуемого элемента наклеивается тензометрический датчик сопротивления, который подключается к тензометрической станции с возможностью численной оценки результатов измерения в текущем режиме и графической визуализацией считываемых данных на экране монитора. Рекомендуется наклеивать одновременно несколько датчиков. Поскольку при исследовании металлических элементов могут быть использованы малогабаритные датчики, например с базой 5 мм, то данная рекомендация не накладывает дополнительных сложностей при реализации. Даже в случае отбора образца небольших размеров должна быть учтена возможность наклеивания тензодатчиков с двух сторон отделяемого фрагмента.
Тензометрический метод определения деформаций при разгрузке выбран в силу особенностей крепления тензодатчика, который устанавливается на клее и в меньшей степени подвержен влиянию вибрационных воздействий при отборе образца. Использование альтернативных механических приборов измерения деформаций зачастую не отвечают требованию надежного крепления (что относится, например, к тензометру Гугенбергера) или требует установку вспомогательных элементов (например, под индикатор часового типа).
Отбор образца материала от конструкции желательно производить режущим инструментом, не оказывающим или минимально оказывающим влияние на температуру металла и его нагрев. При отделении участка от элемента устраняются имеющиеся связи с действующей нагрузкой, приложенной к конструкции, происходит полная разгрузка материала до напряжений σ=0. При условии работы металла в диапазоне напряжений, не превышающих физического (или условного) предела текучести, тензометрические датчики фиксируют относительную деформацию, отличную по знаку, но равную по величине тем значениям, которые имеются в конструкции. Линейная зависимость, характерная для разгрузки стального элемента, математически записывается известным образом:
σ=Δε·Е,(1)
где Δε — измеренные с помощью тензометрической системы восстанавливаемые деформаций металла при полной разгрузке; σ — искомые значения напряжений в конструкции; Е — модуль упругости стали.
В целом при планировании данного исследования рекомендуется назначать такие размеры образцов, отбираемых из конструкции, которые одновременно позволили бы провести испытания с определением физико-механических параметров металла исследуемого элемента в соответствии с действующим стандартом. В этом случае определенные по формуле (1) напряжения можно сравнить с установленным физическим (или условным) пределом текучести, сопоставить прочностные параметры с проектными данными и, таким образом, произвести комплексную прочностную и деформативную оценку технического состояния конструкции с прогнозированием дальнейшей работы, в том числе при увеличении нагрузок. При получении данных, свидетельствующих о равенстве действующих напряжений физическому (или условному) пределу текучести, следует констатировать достижение предельного состояния конструкцией и, как следствие, ее аварийное состояние [2].
Предлагаемый метод натурной оценки деформации и напряжений в стальных элементах, безусловно, имеет некоторые недостатки. Во-первых, при отборе образцов материала из конструкции производится ослабление в исследуемом сечении и формируется определенная концентрация напряжений. Наиболее критично нарушение сплошности сказывается на работе тонкостенных конструкций из гнутого профиля. Данный фактор необходимо учитывать предварительным поверочным расчетом с ориентировочной оценкой напряжений в конструкции, а после ослабления восстанавливать ее целостности. Во-вторых, метод является достаточно трудоемким и требовательным к квалификации исполнителей. Однако при решении ответственных задач применение данного метода может быть технически и экономически обоснованным.
Таким образом, применение натурного метода определения действующих напряжений в стальных элементах позволяет получить сведения о действительном напряженно-деформированном состоянии в рассматриваемом сечении. Данные могут быть использованы для оценки технического состояния зданий, сооружений и их конструкций; при выполнении расчета элементов, усиленных под нагрузкой [3]; при проверке теоретически принятой в расчет статической схемы работы конструкции по контролируемому распределению усилий и т. д.
Литература:
- Панфилов Д. А., Карнилов Д. А., Романчиков В. В. Оценка влияния жесткости на армирование монолитных железобетонных конструкций каркасных зданий // Научное обозрение. — 2016. — № 14. — С. 81–84.
- ГОСТ 31937–2011 Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния.
- Тошин Д. С. Применение диаграммного метода в расчетах усиливаемых конструкций // Научное обозрение. — 2016. — № 1. — С. 85–89.
