Ключевые слова: арка, свод, конструкция, инструментальное обследование.
В России, даже несмотря на все потрясения, свалившиеся в 20 веке, всё ещё можно встретить здания, построенные в дореволюционный период. Особенностью таких зданий императорской России является использование перекрытий, представляющих собой накат из бетона или кирпичной кладки в виде цилиндрических сводов по стальным балкам. Ввиду возраста подобных зданий возникает задача по их ремонту и усилению конструкций. Однако, с другой стороны, данный вид работ может отрицательно сказаться на облике этих, несомненно, важных для истории зданий и, потому, нежелателен. Из-за подобного столкновения противоречий требуется максимально точно знать характер работы конструкции.
При выполнении поверочных расчётов на стадии обследования данных зданий и при проектировании совместная работа стальных балок и сводов не рассматривается. Учитываются только стальные балки, а своды фигурируют лишь как дополнительная нагрузка на конструкцию от их собственного веса [1]. Результаты расчётов, выполненных с данными допущениями, позволяют сделать вывод о том, что стальные балки не удовлетворяют нормативным требованиям, в то время как в реальности они выдерживают большие нагрузки [2].
Рассчитывая данную конструкцию, опираются на существующие рекомендации, нормативная документация еще не разработана, в связи с этим, возникает необходимость изучения данной проблемы.
В данной области существует довольно мало исследований других авторов, в которых рассматривается обсуждаемая проблема. Это — Улыбин А. В., Лахтин Н. К., Бернгард В. Р., Разживин А. В., Григорьев Ю. С., Фатеев В. В., Федотов С. Д., Шабров Н. Н., Зубков С. В., но в этих работах чаще не учитывается податливость связей между сводами и балками и трещиностойкость сводов, что в свою очередь приводит к значительному завышению несущей способности.
Главной целью обследования перекрытий является нахождение фактической несущей способности. Для этого производятся инструментальные обследования.
Инструментальное обследование зданий и сооружений — это комплекс работ, направленных на определение технического состояния конструкций и объекта в целом, для определения возможности безопасной эксплуатации зданий и сооружений.
Детальное инструментальное обследование зданий и сооружений включает в себя необходимые измерения, лабораторные испытания для определения физико-механических характеристик материалов, инженерно-геологические изыскания, определение реальных эксплуатационных нагрузок и проведение поверочных расчетов по несущей способности элементов и объекта в целом, анализ причин появления дефектов и повреждений.
Методика проведения испытаний
Динамические характеристики перекрытий определяются с целью оценки их фактической конструктивной схемы, условий работы и несущей способности.
Динамические характеристики определяются посредством возбуждения и последующей записи микроколебаний. Возбуждение осуществляется легким ударом в заранее выбранной точке перекрытия, а запись — с помощью датчиков-акселерометров и регистрирующей аппаратуры.
В дальнейшем происходит компьютерный анализ полученной записи, в результате которого определяется спектр колебаний и выделяются колебания на частотах первого, второго и более высоких тонов. По выделенным колебаниям строятся так называемые эпюры — графики зависимости относительных перемещений точек конструкции.
Полученные в результате анализа параметры (частота колебаний и эпюра) позволяют оценивать работу конструкции и создать ее адекватную модель для проведения расчетов на любую возможную нагрузку, как статическую (сосредоточенную или распределенную), так и динамическую.
Для оценки динамических характеристик (собственных частот колебания, форм колебания) перекрытий было принято решение о проведении динамических испытаний, по методикам, разработанным в организациях Министерства обороны.
В соответствии с ГОСТ 18353–79 базовый метод носит название «метод свободных колебаний» [1, 2, 3].
Метод свободных колебаний
Сущность метода свободных колебаний заключается в том, что в качестве исходных данных о состоянии объекта обследования используются его динамические характеристики — формы и виды свободных колебаний и соответствующие им частоты (периоды), декременты, эпюры колебаний. Их выбор обусловлен, прежде всего, тем, что динамические характеристики объективно свойственны объекту испытаний, они зависят от конструктивного исполнения, качества монтажа, характеристик материала и конструкций, от имеющихся дефектов, то есть от того набора составляющих, которые определяют состояние и несущую способность конструкций.
Кроме того, анализ относительных перемещений конструктивных элементов обследуемой конструкции позволяет оценить фактическую схему ее работы на момент проведения обследования и создать адекватную конечно-элементную модель. Одновременно реализуется возможность оценки внешних факторов, например уровня влияния внешних динамических воздействий от транспорта, других сооружений.
Исследования проводятся в «пассивном» и «активном» режимах. При «пассивной» регистрации производится запись отклика исследуемых конструкций на фоновое микросейсмическое воздействие. При «активном» — на специальный удар по конструкции.
Основные достоинства «активного» способа возбуждения, следующие:
— возможность многократного повторения возбуждения конструкции без всяких повреждений;
— возможность возбуждения свободных колебаний даже массивных объектов;
— возможность возбуждения различных видов и форм свободных колебаний;
— лёгкость транспортировки и приведения в состояние готовности к использованию;
— высокая оперативность применения.
Основные методические особенности испытания заключаются в:
— возбуждении и регистрации колебаний под действием точечной импульсной нагрузки, прикладываемой в различных точках конструкции;
— сложении (с учетом направления действия нагрузки) колебаний, зарегистрированных при приложении нагрузки в различных точках здания (имитация одновременного приложения нагрузки в нескольких точках).
Для оценки физико-механических характеристик материалов кирпичных сводов использовался метод волны удара (при одностороннем доступе к конструкции).
Метод волны удара основан на связи скорости распространения упругих волн, обычно звукового и инфразвукового диапазона частот, с физико-механическими характеристиками конструкций и материала конструкций.
Существенным фактором, определяющим особенности применения метода, является сильная зависимость скорости поверхностных волн от соотношения длины волны и толщины конструкции.
Дисперсионная кривая (зависимость скорости волны от ее длины) может использоваться для определения скорости Релеевской волны в материале (путем ее экстраполяции в область коротких длин волн), которая по соответствующим формулам пересчитывается в модуль сдвига, а при известном коэффициенте Пуассона в скорость продольной волны и, соответственно, в модуль упругости. Кроме того, форма дисперсионной кривой позволяет оценить толщину конструкции и выявить наличие продольно ориентированных дефектов (пустоты, наличия менее жесткой прослойки и т. д.).
При длине волны больше трех толщин конструкции зависимость между длиной волны и ее периодом (частотой) может использоваться непосредственно для оценки ее жесткости.
Литература:
1. Разживин А. В. Учет несущей способности бетонных сводов при поверочных расчетах сталебетонных перекрытий— М.: Промышленное и гражданское строительство, — 2013.
2. Лаптев Е. А., Улыбин А. В., Соколов В. А. Оценка несущей способности перекрытий по стальным балкам с накатом в виде сводиков в зданиях Санкт-Петербурга,- 2016.
