Geum.ru
Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям

На правах рукописи

АБАШИН Евгений Геннадьевич

МЕТОД КОНТРОЛЯ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ БЕТОНА И ПЛОЩАДИ РАБОЧЕЙ АРМАТУРЫ В ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ БАЛКАХ

05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Орёл - 2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Орловский государственный аграрный университет

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Коробко Андрей Викторович

Официальные оппоненты: Иванов Борис Рудольфович доктор технических наук, профессор, Академия ФСО России, профессор кафедры № Авдяков Дмитрий Владимирович кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО Курский государственный университет, доцент кафедры Промышленное и гражданское строительство

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

Защита состоится 17 апреля 2012 года в 16-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.182.01 при ФГБОУ ВПО Госуниверситет - УНПК по адресу: 302020, г. Орёл, Наугорское шоссе, 29, ауд. 212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Госуниверситет - УНПК.

Автореферат разослан 16 марта 2012 года.

Учёный секретарь диссертационного совета В.Н. Волков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Проблема контроля качества строительных конструкций всегда имела актуальное значение, поскольку качество является фактором безопасности и надежности как отдельных конструкций, так и всего здания или сооружения в целом. Существующая система выборочного разрушающего контроля железобетонных конструкций балочного типа, регламентируемая ГОСТ 8829-94, когда из партии однотипных конструкций выбираются несколько и испытываются методом статического нагружения до разрушения, является трудоёмкой, ненадежной и экономически невыгодной. Поэтому разработка новых неразрушающих методов контроля параметров, характеризующих качество изготовления конструкции и её работоспособность в здании или сооружении, весьма актуальна.

Особое значение эта проблема приобрела в настоящее время, поскольку большое количество зданий и сооружений реконструируются для новых технологических нужд. При проведении обследования железобетонных конструкций таких зданий и сооружений зачастую отсутствует какая-либо информация о физико-механических свойствах использованного бетона, армировании и другие сведения, необходимые для проверки прочности, жесткости и трещиностойкости конструкций под новые технологические нагрузки.

Применение разрушающих методов в этом случае становится невозможным.

При изготовлении железобетонных конструкций основным параметром, определяющим их качество, является величина начального модуля упругости бетона, которая зависит от многих производственных факторов. При этом площадь поперечной арматуры является величиной известной. На завершающей стадии необходимо провести интегральную оценку модуля упругости бетона с учетом всех возможных дефектов, допущенных при изготовлении конструкций. При контроле качества конструкций, стоящих в сооружении, площадь рабочей арматуры, как правило, неизвестна, а усредненную величину начального модуля упругости можно определить с использованием ультразвуковых методов путем многократных его измерений в приповерхностном слое.

Среди методов неразрушающего контроля качества особое место занимают вибрационные (резонансные) методы. Современный уровень теоретических знаний в области вибрационных технологий и экспериментальной механики достаточно высок, что позволяет эффективно использовать их в машиностроении. В строительной же отрасли эти методы практически не применяются; отсутствуют какие-либо нормативные документы на их применение для контроля физико-механических параметров и оценки качества строительных конструкций. В нашей стране в этом направлении работает ряд научных школ, однако для контроля начального модуля упругости бетона в железобетонных конструкциях и площади рабочей арматуры в них вибрационные методы до настоящего времени не применялись. А известные ультразвуковые и индукционные методы, используемые для этих целей, дают погрешность, превышающую (10Е12) %.

Зачастую с балок, находящихся в условиях эксплуатации, при их контроле невозможно снять технологическую нагрузку. В этом случае о площади рабочей арматуры можно судить по величине прогиба, полученного от пригружения балки некоторой дополнительной нагрузкой. Этот способ контроля требует разработки, поскольку вибрационный способ в данном случае неприемлем.

Объектом исследования являются методы контроля железобетонных балок без предварительного напряжения продольной арматуры длинной до 3-х метров с переменными площадью сечения арматуры и начальным модулем упругости бетона, а предметом исследования - принципы, модели, алгоритмы, режимы и точностные характеристики метода неразрушающего контроля начального модуля упругости бетона и площади поперечного сечения рабочей арматуры в железобетонных балках при их изготовлении и эксплуатации.

Целью диссертации является повышение точности и снижение трудоемкости контроля начального модуля упругости бетона в ненапряженных железобетонных балках в процессе их изготовления и площади рабочей арматуры в балках, находящихся в сооружении в условиях эксплуатации.

Для реализации этой цели необходимо решить следующие задачи:

Ц разработать физические принципы контроля начального модуля упругости бетона и площади рабочей арматуры и на их основе построить математические модели в виде аналитических зависимостей, связывающих начальный модуль упругости бетона железобетонных балок и площадь рабочей арматуры с их максимальным прогибом от действия равномерно распределенной нагрузки и основной частотой поперечных или продольных колебаний в ненагруженном состоянии;

Ц разработать варианты метода контроля указанных физических и геометрических параметров железобетонных балок с использованием способов их статического и динамического нагружения;

Ц разработать алгоритмы определения начального модуля упругости бетона при известной площади поперечного сечения рабочей арматуры и площади рабочей арматуры при известном начальном модуле упругости бетона с использованием максимального прогиба балок под действием равномерно распределенной нагрузки и основной частоты их собственных поперечных и продольных колебаний в ненагруженном состоянии, обосновать режимы контроля;

Ц провести оценку погрешности определения контролируемых параметров балок по их максимальному прогибу и основной частоте колебаний;

Ц провести серию экспериментов на натурных железобетонных балках с переменными значениями площади продольной арматуры и начального модуля упругости бетона с целью проверки теоретических положений предложенного метода, математических моделей и его апробации;

Ц выполнить корректировку используемых математических моделей по результатам испытания эталонных конструкций;

Ц разработать методику практической реализации предложенного метода и дать рекомендации по его применению.

Методы исследования. В работе использовались классические методы теории железобетонных конструкций, методы анализа точности измерительных цепей, методы регрессионного анализа результатов экспериментальных исследований. Обработка экспериментальных результатов осуществлялась с помощью методов математической статистики.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1 Предложен и научно обоснован новый принцип неразрушающего контроля начального модуля упругости бетона и площади поперечного сечения рабочей арматуры в железобетонных балках, основанный на использовании полученных аналитических зависимостей, связывающих эти параметры с величиной максимального прогиба балок при их статическом нагружении равномерно распределенной нагрузкой, а также с основной частотой поперечных и продольных колебаний в ненагруженном состоянии, и учитывающих, в отличие от ранее известных зависимостей, все основные физические и геометрические параметры контролируемых конструкций.

2 Разработаны два варианта метода контроля начального модуля упругости бетона и площади рабочей арматуры по максимальному прогибу балок и их основной частоте поперечных и продольных колебаний и алгоритмы их реализации, позволяющие интегрально оценивать начальный модуль упругости бетона на завершающем этапе изготовления конструкций и площадь рабочей арматуры в балках, находящихся в условиях эксплуатации в сооружении;

3 Предложен способ уточнения принятых математических моделей с сохранением основных геометрических и физических характеристик контролируемых балок на основе результатов экспериментальных данных, полученных при испытании эталонных конструкций, позволяющих адаптировать предложенный метод контроля к железобетонным балкам конкретного типа.

Практическая ценность полученных результатов заключается в том, что разработанный метод контроля начального модуля упругости бетона и площади рабочей арматуры в железобетонных балках и методики их практической реализации могут быть использованы при организации поточного выходного контроле качества готовых конструкций на предприятиях строительной индустрии, при входном контроле конструкций, поступающих на стройплощадку, а также при обследовании конструкций, находящихся в условиях эксплуатации.

Достоверность теоретических положений и практических результатов, полученных в работе, подтверждается использованием классических методов теории железобетонных конструкций, экспериментальной механики, теории точности, сопоставлением теоретических и экспериментальных данных.

На защиту выносятся:

Ц математические модели, связывающие начальный модуль упругости бетона и площадь рабочей арматуры с максимальным прогибом упругих железобетонных балок при использовании статического метода контроля, а также математические модели, связывающие указанные параметры с основной частотой поперечных или продольных колебаний при использовании вибрационного метода контроля;

Ц метод контроля начального модуля упругости бетона и площади рабочей арматуры, алгоритмы и методики реализации его вариантов;

Ц результаты экспериментальных исследований двух серий железобетонных балок (20 штук), выполненных в опалубке типовой перемычки 2ПБ-26-4 с различными процентами армирования и начальными модулями упругости бетона;

Ц способ корректировки полученных математических моделей под конструкции определенного типа на основе испытания эталонных изделий.

Апробация работы. Материалы и основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на: V-й Международной научнопрактической конференции Задачи архитектурно-строительного комплекса в повышении качества жизни и устойчивого развития сельских территорий (21-23 апреля 2009 года, г. Орел); Молодежной научно-практической конференции Инновационные технико-технологические решения для строительной отрасли, ЖКХ и сельскохозяйственного производства (17-18 марта 20года, г. Орел); VII-й Международной научно-практической конференции Строительство и архитектура XXI века: Перспектива развития и инновации (23-24 ноября 2010 года, г. Орел); Международных академических чтениях РААСН Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения (23-25 сентября 2010 года, г. Курск); II-й Молодежной научно-практической конференции Инновационные технико-технологические решения для строительной отрасли, ЖКХ и сельскохозяйственного производства (13 апреля 2011 года, г. Орел).

Предложенный метод контроля начального модуля упругости и площади рабочей арматуры в железобетонных ненапряженных балках апробирован на заводе железобетонных изделий ОАО Агропромстрой (г. Орел). Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс в ФГБОУ ВПО Орёл ГАУ при изучении дисциплины Обследование зданий и сооружений.

Научная работа, написанная по теме диссертации, является победителем регионального конкурса Лучшая научно-исследовательская работа молодых ученых - 2011.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ, подано две заявки на выдачу патента на изобретение.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация изложена на 143 страницах машинописного текста и состоит из введения, трех глав, основных выводов, списка литературы, включающего 103 наименования, приложений. В работе приведены 20 таблиц, 14 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении излагается общая характеристика диссертационной работы, приводится обоснование её актуальности, формулируются цель и задачи исследования, приводится оценка научной и практической значимости результатов проведенных исследований, указываются основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводится аналитический обзор научной, нормативной литературы по методам разрушающего и неразрушающего контроля качества железобетонных конструкций, используемым при их изготовлении и при обследовании зданий и сооружений. Проведенный анализ показывает, что разрушающие методы контроля качества весьма трудоемки и неэффективны, а большинство из существующих неразрушающих методов контроля непригодны для интегральной оценки качества конструкций. Они позволяют определять отдельные физико-механические характеристики железобетонных конструкций лишь в локальных зонах с относительно невысокой точностью.

Так, основной физический параметр железобетонной конструкции - начальный модуль упругости, от которого зависят жесткость, трещиностойкость и прочность конструкции, определяется ультразвуковыми методами лишь в локальных точках приповерхностного слоя и дает весьма приближенную оценку этого параметра в целом по конструкции.

При обследовании конструкций, находящихся в условиях эксплуатации, информация о физико-механических параметрах материала, армировании и реальных граничных условиях, как правило, отсутствуют. Известные неразрушающие методы контроля площади рабочей арматуры, основанные на измерении её магнитных характеристик, очень неточны.

Интегральные вибрационные методы контроля качества железобетонных конструкций позволяют преодолеть некоторые из указанных выше недостатков. По динамическим параметрам конструкции (форма, амплитуда и частота колебаний, логарифмический декремент затухания колебаний) можно с достаточно высокой степенью достоверности определить жесткость, прочность, трещиностойкость и величину предварительного напряжения арматуры в железобетонной балке.

Впервые для интегральной оценки качества железобетонных конструкций вибрационный метод был использован в ЛенЗНИИЭП в 1963 году, где усилиями ученых Н.А. Крылова, К.А. Глуховского, А.М. Полищука и др. были разработаны необходимые стенды и средства измерения, а также методика для массового контроля готовых конструкций. Сущность этого метода заключается в определении начальной жесткости поперечного сечения конструкций по периодам их свободных колебаний и сравнении ее с жесткостью, полученной предварительным аналитическим расчетом. Недостатками этого метода являются невозможность оценить пригодность испытываемых изделий по трещиностойкости и определить значение величины предварительного напряжения арматуры в них.

Дальнейшее серьёзное развитие вибрационный метод получил в Тбил ЗНИИЭП, где под руководством профессора Э.А. Сехниашвили была разработана методика контроля железобетонных конструкций, сущность которой заключается в сравнении динамических параметров контролируемых конструкций с соответствующими параметрами однотипных эталонных изделий.

Этот метод позволяет получать интегральную оценку качества контролируемых конструкций, однако отличается большой трудоемкостью, вызванной необходимостью изготовления множества эталонных изделий с разными величинами предварительного напряжения арматуры.

Значительный вклад в развитие методов неразрушающего контроля качества железобетонных конструкций сделан в ведущих научно-исследовательских институтах и вузах нашей страны: в НИИЖБе (Клевцов В.А., Бердичевский Г.И., Коревицкая М.Г.), в МИСИ (Лужин О.В., Злочевский А.Б., Волохов В.А., Почтовик Г.Я.), ФГБОУ ВПО Северо-Кавказский гостехуниверситет (Г.В. Слюсарев).

Большой вклад в развитие вибрационного метода контроля качества строительных конструкций внес творческий коллектив ФГБОУ ВПО Госуниверситет - УНПК (г. Орел) под руководством профессора В.И. Коробко.

Этим коллективом разработан метод экспресс-оценки параметров качества строительных конструкций, который позволяет определять интегральные характеристики готовых изделий не косвенно (по графикам), а по расчетным формулам. По этому направлению исследований ими получены многочисленные авторские свидетельства и патенты на изобретения, многие из которых прошли апробацию в производственных условиях.

Однако, несмотря на имеющиеся достижения, в настоящее время нет надежных интегральных методов контроля начального модуля упругости бетона в железобетонных балках и площади рабочей арматуры.

Во второй главе на основе известных соотношений теории расчета железобетонных балок, шарнирно опертых по концам, выводятся аналитические зависимости, связывающие начальный модуль упругости бетона Еb и площадь продольной арматуры As с максимальным прогибом балок w0 от действия статически приложенной равномерно распределенной нагрузки интенсивностью q:

q 4 1 q Eb = ; (1) As = - Ib . (2) 2 65,28 w0Eb 65,28w0(Ib + sAsys ) sys Здесь приняты следующие обозначения: - пролёт балки; Ib - момент инерции поперечного сечения балки; s - отношение модулей упругости арматуры и бетона; ys - расстояние от центра тяжести приведенного сечения до равнодействующей усилия в арматуре. Используя эти аналитические зависимости, как математические модели, предлагается метод определения начального модуля упругости бетона и площади рабочей арматуры по величине максимального прогиба балок от действия статической равномерно распределенной нагрузки, который определяется экспериментально. Остальные физические и геометрические параметры балок считаются известными.

В основу вибрационного метода определения рассматриваемых параметров железобетонных балок положена фундаментальная закономерность, установленная В.И. Коробко, которая функционально связывает максимальный прогиб w0 упругих балок, находящихся под действием равномерно распределенной нагрузки q, c их основной (или первой резонансной) частотой поперечных колебаний : произведение максимального прогиба упругой однопролетной балки постоянного сечения с произвольными граничными условиями, нагруженной равномерно распределенной нагрузкой q, на квадрат ее основной (или первой резонансной) частоты колебаний с точностью до размерного множителя q/m есть величина постоянная, равная 1,279 4/:

w02 4/q/m, (3) где m - погонная масса балки. Подставляя в выражения (1) и (2) вместо максимального прогиба основную (или первую резонансную) частоту колебаний из закономерности (3), получим зависимости:

4 2m 1 2m Eb = ; (4) As = - Ib . (5) 2 83,12E b 83,12(Ib + sAsys ) sys которые связывают начальный модуль упругости бетона площадь арматуры с основной частотой колебаний балок. В теории железобетонных конструкций эти зависимости являются новыми.

В динамике строительных конструкций известны соотношения, связывающие основную частоту поперечных колебаний с основной частотой продольных колебаний. Так, в диссертационной работе А.П. Юрова на основе результатов экспериментов сформулированы рекомендации по замене основной частоты поперечных колебаний поп на основную частоту продольных колебаний пр. С учетом этих рекомендаций можно записать:

2 2 пр m 2 m пр Eb =. (6) As = - Ab ; (7) s 2(Ab + sAs) Eb2 Выражения (1), (2), (4)Е(7) можно применять лишь для упругой стадии работы железобетонных балок.

Используя полученные выше аналитические зависимости в качестве математических моделей, разработаны принцип и два варианта метода контроля начального модуля упругости бетона и площади поперечного сечения продольной арматуры с применением способов статического нагружения конструкций и возбуждения собственных поперечных или продольных колебаний в ненагруженной конструкции. Суть предложенного принципа заключается в экспериментальном определении максимального прогиба контролируемых балок при их статическом нагружении и частот свободных поперечных (или продольных) колебаний в ненагруженном состоянии. Подставляя известные геометрические и физические параметры железобетонных балок, по формулам (1), (2), (4)Е(7) предлагается определять начальный модуль упругости бетона при известной площади продольной арматуры и площадь продольной арматуры при известном начальном модуле упругости бетона.

В этой же главе приводятся подробные исследования относительной погрешности определения контролируемых параметров методом максимумаминимума. Результаты этих исследований представлены на рисунке 1:

Рисунок 1 - Изменение относительной погрешности наименьшая погрешопределения модуля упругости бетона в зависимости ность до 5 % получается от контролируемой характеристики у варианта с использованием продольных колебаний, что значительно лучше, чем при использовании известных ультразвуковых и механических методов; при использовании варианта возбуждения поперечных колебаний погрешность возрастает до 10 %; при использовании Рисунок 2 - Погрешности метода определения варианта статического модуля упругости бетона при разной интенсивности равномерно распределенной нагрузки нагружения погрешность колеблется от 13,5% до 16,7 % с ростом модуля упругости бетона в исследуемом диапазоне. Эта погрешность сопоставима с оценками модуля упругости, получаемыми известными методами.

Были проведены также исследования зависимости погрешности предложенного метода от длины балок серии 2ПБ: при использовании продольных колебаний относительная погрешность составляет 5,2Е5,6 % для всего диапазона длин; при использовании поперечных колебаний - 9Е11 % по всему диапазону длин и модулей упругости бетона; при использовании варианта нагружения конструкции для самых коротких балок длинной 1030 мм погрешность достигает более 100 %, и лишь при длине 2,5 м погрешность становится равной 16 %, что сопоставимо с точностью ныне действующих методов.

Оценки влияния интенсивности нагрузки, действующей на балку при реализации статического способа испытаний, на погрешность определения начального модуля упругости представлены на рисунке 2. Анализ этих графиков показывает, что при увеличении нагрузки происходит снижение относительной погрешности на всем исследуемом диапазоне значений модуля упругости (на низких ступенях нагружения снижение погрешности идет интенсивно, а с ростом нагрузки происходит стабилизация графиков). Так, при q = 0,6 кН/м погрешность на 1Е2 % выше, чем при q = 1 кН/м. Поскольку при проведении испытаний в контролируемых конструкциях не должны появляться трещины, то следует принять её на уровне 80Е90 % от нагрузки трещинообразования самой слабой балки из испытываемой серии. Для исследуемой партии балок была выбрана контрольная нагрузка q = 0,6 кН/м.

При контроле диаметра рабочей арматуры погрешность предлагаемого метода составила 50Е100 % в исследуемом диапазоне диаметров арматуры.

При увеличении диаметра арматуры до 36 мм погрешность заметно снижается до 28Е32 %, но остается неприемлемой. Поэтому предлагаемый вариант метода следует использовать для конструкций с жестким армированием.

Приведенный анализ погрешности позволил сформулировать ряд рекомендаций по применению различных вариантов предложенного метода.

1. Для контроля модуля упругости бетона целесообразен всегда вариант возбуждения продольных колебаний.

2. Вариант возбуждения поперечных колебаний следует рекомендовать при обследовании конструкций в условиях эксплуатации, когда отсутствует доступ к торцам балок.

3. Вариант статического нагружения следует рекомендовать при обследовании балок в условиях эксплуатации зданий, когда с неё нельзя снять технологическую нагрузку.

4. Для контроля площади поперечной арматуры ни один из предлагаемых вариантов при использовании рассматриваемых математических моделей не подходит.

В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований 20-ти железобетонных балок. Были изготовлены 2 партии железобетонных балок в опалубке типовых перемычек типа 2ПБ-26-4: одна партия изготовлена с одинаковым начальным модулем упругости бетона, но с разными диаметрами продольной арматуры ds, другая - с одинаковым армированием, но с разными начальными модулями упругости бетона Eb. Каждый тип балки был изготовлен в двух экземплярах. Их характеристики приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Условные обозначения железобетонных балок и их параметры Б-1 Б-2 Б-3 Б-4 Б-5 Б-6 Б-7 Б-8 Б-9 Б-№ № балок Eb, (103 МПа) 23 23 23 23 23 16 23 27,5 28,8 32,ds, (мм) 8 10 14 16 18 12 12 12 12 Целью экспериментальных исследований была проверка опытным путем полученных математических моделей, апробация предложенного метода для контроля качества железобетонных балок, отработка методик их испытаний и разработка рекомендаций для практического применения различных вариантов предложенного метода.

Эксперимент проводился на лабораторной базе Архитектурно-строительного института ФГБОУ ВПО Госуниверситет - УНПК с использованием испытательного стенда, оснащенного стандартным набором оборудования, приборов и средств измерений, а апробация - на заводе железобетонных конструкций ОАО Агропромстрой (г. Орёл). Функциональная схема стенда представлена на рисунке 3.

1 - контролируемая балка; 2, 3 - подвижная и неподвижная шарнирные опоры;

4 - ударное устройство - возбудитель собственных поперечных колебаний;

5 - виброанализатор спектра колебаний Вибран-2.0; 6 - силовые опоры Рисунок 3 - Функциональная схема испытательного стенда при возбуждении поперечных колебаний балки Проведение испытаний осуществлялось в следующей последовательности: установка контролируемой конструкции на опорах; закрепление на ней приборов и устройств, необходимых для возбуждения и регистрации колебаний и измерения прогибов; возбуждение собственных колебаний с помощью механического удара и определение основной частоты колебаний конструкции в ненагруженном состоянии; нагружение конструкции равномерно распределенной нагрузкой ступенями и измерение максимального прогиба; измерение частот продольных и поперечных колебаний на каждой ступени нагружения.

При обработке результатов измерений применялись методы математической статистики. Анализ статистических данных показал, что относительная погрешность измерений максимального прогиба и основной частоты колебаний достаточно мала и сопоставима с погрешностью измерений используемых приборов.

Была проведена оценка косвенной и суммарной погрешности метода определения модуля упругости бетона: суммарная погрешность составила (5,64...5,75) % при использовании продольных колебаний, (10...10,5) % при использовании поперечных колебаний; (13,61...16,79) % при использовании статического загружения.

а) б) Рисунок 4 - Графические зависимости основных частот поперечных и продольных колебаний, максимального прогиба от начального модуля упругости бетона а) б) Рисунок 5 - Графические зависимости основных частот поперечных и продольных колебаний, максимального прогиба от диаметра продольной арматуры Полученные в ходе эксперимента данные представлены на рисунке отдельными точками, а теоретические кривые, полученные с помощью математических моделей, - сплошной линией.

Анализ графиков, приведенных на рисунке 4-а, убедительно подтверждает теоретические предпосылки предложенного метода и показывает:

Ц теоретические зависимости поп - Еb и пр - Еb, несмотря на сложный вид математических моделей, носят практически линейный характер;

Ц качественное и количественное совпадение экспериментальных результатов с теоретическими удовлетворительное;

Ц при использовании поперечных колебаний наибольшие отклонения экспериментальных результатов от теоретических (до 10 %) наблюдаются при высоких значениях начального модуля упругости бетона; аналогично и при использовании продольных колебаний, однако при этом полученная погрешность существенно ниже и достигает 4 % (это объясняется тем, что при поперечных колебаниях без нагрузки влияние приопорных зон балки на частоту колебаний незначительное, поскольку деформации в этих зонах не успевают развиться, в то время как при продольных колебаниях все сечение балки, включая и приопорные зоны, работают в одинаковых условиях);

Ц график теоретической зависимости w0 - Еb и экспериментальные результаты (рис. 4-б) носят монотонно убывающий характер, хорошо согласуются качественно, а количественная погрешность достигает 15 % (большие отклонения можно объяснить тем, что при малых значениях модуля упругости при контрольной нагрузке железобетон работает в упругопластической стадии, в то время как зависимость (1) справедлива для условий упругой работы балки).

Основная частота продольных колебаний является более информативным динамическим критерием, позволяющим судить о начальном модуле упругости бетона, по сравнению с частотой поперечных колебаний, потому что при изменении начального модуля упругости бетона Eb от 16103 МПа до 32,5103 МПа основная частота поперечных колебаний увеличивается на 20 %, а продольных - почти на 50 %. Вариант использования продольных колебаний может быть успешно реализован в заводских условиях при осуществлении выходного поточного контроля железобетонных балок.

Анализ графиков, приведенных на рисунке 5-а, также убедительно подтверждает теоретические предпосылки предложенного метода и показывает:

Ц теоретические зависимости поп - ds и пр - ds также носят практически линейный характер;

Ц качественное и количественное совпадение экспериментальных результатов с теоретическими удовлетворительное;

Ц при использовании поперечных колебаний наибольшие отклонения экспериментальных результатов от теоретических (до 10 %) наблюдаются при низких значениях диаметра рабочей арматуры; при использовании продольных колебаний при малых значениях диаметра рабочей арматуры наибольшие отклонения достигают 8 % (это обстоятельство объясняется тем, что при малых диаметрах арматуры пластические свойства бетона преобладают над упругими свойствами арматуры);

Ц график теоретической зависимости w0 - ds и экспериментальные результаты (рис. 5-б) носят практически линейный характер; при малых значениях диаметра арматуры (8Е14 мм) экспериментальные результаты выше теоретических до 4 %, а при больших диметрах арматуры экспериментальные результаты ниже теоретических до 15 %.

Необходимо отметить, что полученные фактические погрешности всех вариантов предложенного метода контроля меньше, чем относительные погрешности, подсчитанные по методу максимума-минимума.

При разработке метода контроля в предлагаемых математических моделях (1), (2), (4)Е(7) использовался усредненный коэффициент пропорциональности, который зависит от многих второстепенных физических и технологических факторов, влияющих на модуль упругости бетона. Именно этим, во многом, объясняются отклонения экспериментальных данных, описанных выше, от теоретических результатов. Поэтому целесообразно разработать способ корректировки этого коэффициента под особенности технологии изготовления изделий определенного вида и применяемого типа цемента. Используя изготовленные для эксперимента конструкции как эталонные, и результаты эксперимента, в работе была проведена корректировка коэффициента пропорциональности в указанных математических моделях методом наименьших квадратов (см. например, зависимости (8), (9)).При этом структура формул и их физическая сущность оставались неизменными.

2m 1 2m E = ;

(8) (9) b As = - Ib .

45,01(Ib + 8,058 s As ys ) 2,79sy2 64,12 E b s Полученные отклонения результатов расчёта по этим моделям от экспериментальных данных на примере зависимостей Eb - поп, ds - поп приведены в таблицах 2 и 3. Как видно из этих таблиц, проведенная корректировка модели уменьшила максимальную погрешность до 2,62 %.

Таблица 2 - Отклонения основной частоты поперечных колебаний балок при контроле начального модуля упругости бетона от теоретических значений, полученных с помощью откорректированных моделей Eb, 103 МПа 16 23 27,5 28,8 32,Отклонение поп, % 0,8 1,23 0,48 0,1 0,Таблица 3 - Отклонения основной частоты поперечных колебаний балок при контроле площади рабочей арматуры от теоретических значений, полученных с помощью откорректированных моделей ds, мм 8 10 12 14 16 Отклонение поп, % 1,23 2,62 1,27 3,2 0,93 1,Следует отметить, что с использованием откорректированных моделей варианты предложенного метода контроля модуля упругости бетона по максимальному прогибу балки и площади рабочей арматуры по основной частоте её колебаний становятся вполне конкурентноспосбными с ныне существующими неразрушающими методами в области строительства.

Рассмотренный способ корректировки математических моделей можно рекомендовать при освоении выпуска балок нового типа на предприятиях - изготовителях по результатам испытаний 5Е8 эталонных конструкций. Эти модели могут записываться в паспорт изделия или его сертификат.

По результатам проведенных исследований разработана методика практической реализации предложенного метода и даны рекомендации по его применению на заводах-изготовителях.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ 1 Разработаны математические модели, связывающие величину начального модуля упругости железобетонных балок, выполненных без предварительного напряжения продольной арматуры, и площадь рабочей арматуры с основной частотой поперечных и продольных колебаний балок в ненагруженном состоянии и максимальным их прогибом от действия статической равномерно распределенной нагрузки.

2 На основе этих моделей разработаны варианты метода контроля начального модуля упругости бетона и площади продольной арматуры с использованием основной частоты поперечных или продольных колебаний балок и их максимального прогиба, а также алгоритмы практической реализации метода.

3 Проведенные исследования относительной погрешности при использовании всех предложенных математических моделей показали:

Ц наименьшая погрешность до 5 % получается у варианта с использованием продольных колебаний, что значительно лучше, чем при использовании известных ультразвуковых и механических методов;

Ц при использовании варианта возбуждения поперечных колебаний погрешность возрастает до 10 %, что немного ниже получаемых погрешностей с известными методами;

Ц при использовании варианта статического нагружения погрешность колеблется от 13,5% до 16,7 % с ростом модуля упругости бетона в исследуемом диапазоне, что сопоставимо с оценками модуля упругости, получаемыми известными методами;

Ц для контроля модуля упругости бетона целесообразно использовать всегда вариант возбуждения продольных колебаний, поскольку он дает наименьшую погрешность;

Ц вариант возбуждения поперечных колебаний рекомендуется использовать при обследовании конструкций в условиях эксплуатации, когда отсутствует доступ к торцам балок;

Ц вариант статического нагружения следует рекомендовать при обследовании балок в условиях эксплуатации зданий, когда с неё нельзя снять технологическую нагрузку;

Ц применение варианта метода при контроле площади рабочей арматуры при малых процентах армирования конструкции нецелесообразно.

4 Проведена серия исследовательских экспериментов по испытанию железобетонных балок длиной 2,55 м с разным начальным модулем упругости бетона при одинаковом армировании и одним и тем же начальным модулем упругости бетона при разном армировании. При этом:

Ц результаты экспериментов подтвердили и качественно, и количественно работоспособность полученных математических моделей;

Ц эксперименты показали, что динамический способ контроля начального модуля упругости бетона и площади продольной арматуры эффективнее статического за счет меньшей его трудоёмкости и большей точности; при динамическом методе отпадает необходимость проведения операции нагружения конструкции, и точность определения контролируемых параметров в два раза выше.

Ц при использовании динамического способа контроля выявлено, что наиболее эффективным является способ с применением продольных колебаний за счет более высокой точности измерения частот звукового диапазона.

5 Разработан способ корректировки математических моделей для всех вариантов предложенного метода путем проведения серии пробных испытаний эталонных конструкций при освоении их выпуска на предприятиях строительной индустрии за счёт корректировки коэффициентов пропорциональности, входящих в соответствующие аналитические зависимости и принятые в теории железобетонных конструкций усредненными.

6 Разработана методика практической реализации метода и даны рекомендации по его применению на заводах-изготовителях.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ:

1 Абашин, Е.Г. Определение площади поперечного сечения рабочей арматуры в железобетонных балках вибрационным методом [Текст] / Е.Г. Абашин // Строительство и реконструкция. - 2011. - № 5. - С. 3Ц7.

2 Абашин, Е.Г. Определение площади поперечного сечения арматуры в железобетонных балках статическим и динамическим способами [Текст] / Е.Г. Абашин // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - 2011. - № 6. - С. 160Ц164.

3 Коробко, А.В. Определение начального модуля упругости бетона в ненапряженных железобетонных балках вибрационным методом [Текст] / А.В. Коробко, Е.Г. Абашин // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - 2012. - № 1. - С. 130Ц133, (личное участие 50%).

В других изданиях:

4 Абашин, Е.Г. Оценка физико-механических характеристик сборных железобетонных конструкций вибрационными методами [Текст] / Е.Г. Абашин // Материалы V-й международной научно-практической конференции Задачи архитектурностроительного комплекса в повышении качества жизни и устойчивого развития сельских территорий. - Орел: ОГАУ, 2009. - С. 247Ц250.

5 Абашин, Е.Г. Преимущества использования вибрационных методов приемочного контроля качества железобетонных конструкций [Текст] / Е.Г. Абашин, С.С.

Володин // Материалы молодежной научно-практической конференции Инновационные технико-технологические решения для строительной отрасли, ЖКХ и сельскохозяйственного производства. - Орел: ОГАУ, 2010. - С. 22Ц24, (личное участие 50%).

6 Абашин, Е.Г. Экспериментальные исследования железобетонных перемычек (балок) типа 2ПБ26-4-п без предварительного напряжения арматуры вибрационными методами [Текст] / Е.Г. Абашин, С.С. Володин // Материалы II-й молодежной научнопрактической конференции Инновационные технико-технологические решения для строительной отрасли, ЖКХ и сельскохозяйственного производства. - Орел : ОГАУ, 2011. - С. 14Ц19, (личное участие 50%).

7 Коробко, А.В. Способы определения площади поперечного сечения продольной арматуры и модуля упругости бетона в железобетонных балках по результатам динамических испытаний [Текст] / А.В. Коробко, Е.Г. Абашин // Материалы международных академических чтений Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения. - Курск: 2010. - С. 44Ц48, (личное участие 50%).

8 Коробко, А.В. Определение модуля упругости бетона в железобетонных балках вибрационным методом [Текст] / А.В. Коробко, Е.Г. Абашин, А.П. Юров // Вестник отделения строительных наук РААСН. - Москва, 2011. - Вып. 15. - С. 100Ц103, (личное участие 40%).

Подписано в печать 15.03.2012 г.

Формат 60х90/16. Бумага офсетная. Гарнитура Таймс.

Усл. печ. л. 1,0. Заказ 52. Тираж 100 экз.

Отпечатано в издательстве Орел ГАУ, 2012, Орел, Бульвар Победы, Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям