Испытание строительных конструкций статической нагрузкой

Испытание статической нагрузкой - один из наиболее распространенных методов испытания строительных конструкций.
Экспериментальные исследования сводятся к измерению деформаций, возникающих при приложении нагрузки. Конструкция деформируется в зависимости от схемы приложения и величины внешних сил, технических характеристик строительного материала и геометрических характеристик рассматриваемой конструкции.

Исследования проводятся в соответствии с программой испытаний, которая, как это отмечалось выше, регламентирует рабочую схему испытаний конструкций, величины испытательных нагрузок, схемы и порядок их приложения, размещение и тип измерительных приборов, а также содержит указания по проведению испытаний.

1. Рабочая схема при испытании строительных конструкций
Рабочей схемой называют статическую схему, которая принимается при испытании конструкции. В ней отражаются: условия опирания и закрепления испытываемой конструкции на опорах, схема приложения нагрузок. Чаще всего рабочая схема та же, которая была принята при составлении проекта конструкции. Не исключено принятие иной схемы, если это вызвано изменениями работы конструкции при ее усилении или другим причинам. Схема расположения нагрузок должна вызвать такое напряженное и деформативное состояние в конструкции, которое наиболее полно отвечает действительной ее работе при наиболее невыгодных сочетаниях нагрузки. В рабочей схеме должно быть уделено особое внимание устойчивости элементов конструкции. Неверное приложение нагрузки может вызвать потерю устойчивости этих элементов, не отражающую действительную работу элемента в расчетной схеме. Схема загружения при испытании однопролетных разрезных плит показана на рис.1. По этой схеме плиты загружают на участке, равном трем длинам плиты.
Схемы загружения при испытании многопролетной (неразрезной) плиты изображены на рис.2. В результате получают наиболее неблагоприятные нагрузки на плиту. В продольном направлении плита загружается на участке, равном трем ее длинам.
Размещение нагрузок при испытании однопролетных балок с разрезными и неразрезными плитами дано на рис.3.
При испытании решетчатых конструкций в виде ферм применяются различные схемы загружения, в зависимости от конструктивного исполнения фермы и реального приложения нагрузки. Если требуется определить наибольший прогиб фермы или максимальные усилия в стержнях верхнего и нижнего поясов, то фермы всех очертаний загружают по всему пролету. Для определения наибольших усилий в стержнях решетки вначале ферму загружают односторонней нагрузкой, а затем догружают по всему пролету.

Испытательные нагрузки получают с помощью грузов в виде песка, руды, слитков, кирпича, воды или с помощью домкратов, сжатого воздуха. Испытательной нагрузкой называют нагрузку (включая собственный вес конструкции), которая прикладывается к конструкции в процессе испытания. Предельную величину нагрузки, по результатам воздействия которой производится оценка качества конструкции, называют контрольной нагрузкой.
Величина контрольной нагрузки при проверке жесткости принимается равной нормативной нагрузке. Оценку конструкции по прочности производят по величине разрушающей нагрузки, представляющей собой расчетную нагрузку, умноженную на коэффициент С. Для металлических конструкций - С=1,25; для железобетонных - С= 1,2 - 1,6.
Опытные конструкции доводят до разрушения после того, как они выдержат контрольную нагрузку. Это делается в целях лучшего понимания работы конструкции и последующего ее проектирования с усилением слабых мест и, наоборот, облегчением элементов, имеющих запасы прочности. Следует отметить, что нагружение конструкций испытательными нагрузками проводится после проведения обследования здания или сооружения
Величина контрольной нагрузки по образованию трещин принимается равной расчетной для конструкций I категории трещиностойкости и нормативной - для II категории.
Принят следующий порядок нагружения при испытании строительных конструкций:

В начале проводят пробное нагружение конструкции нагрузкой, не превышающей 25-30% контрольной и осуществляемой в 2-3 этапа. После необходимой выдержки под нагрузкой конструкция также поэтапно разгружается до нуля. Делается это для устранения обжатия узлов, опор. Далее нагрузка прикладывается ступенями, составляющими 10-20% от контрольной нагрузки. Количество ступеней нагружения до достижения контрольной нагрузки обычно принимают равным 4-6, но один из них должен соответствовать нормативной нагрузке, если испытание проводят до расчетной нагрузки.
После загружения каждой ступени дается выдержка для затухания деформаций и производятся отсчеты по приборам. При такой системе загружения можно определить момент появления первых трещин, проследить процесс их развития.
После того, как достигнута контрольная нагрузка, дается выдержка для металлических конструкций в 30-90 минут, для деревянных и железобетонных - 12-48 часов.
Для металлических конструкций отсчеты по приборам следует снимать через 15 минут после окончания загрузки, для железобетонных - через 12 часов, деревянных - через 24 часа. Разница во времени объясняется тем, что в дереве и бетоне деформации нарастают постепенно.
Измерение величин нагрузок производится с помощью динамометров, манометров, а также взвешиванием грузов.

2. Размещение приборов при испытании статической нагрузкой

Выбор типов приборов и мест их установки зависит от целей и задач проводимых измерений. Измерительные приборы устанавливаются в тех точках и сечениях, перемещения и деформации которых являются наиболее характерными для исследуемой конструкции.
Прогибы измеряются в середине пролета. Чтобы исключить влияние осадки опор или их обжатия на величину измеряемых прогибов, прогибомеры устанавливаются также у опор. Величина прогиба определяется по формуле:

f=C-(a+b)/2

Установка трех прогибомеров исключает также влияние на показания приборов деформаций проволоки, так как удлинения трех проволок почти одинаковы. Если требуется получить кривую прогибов по всей длине пролета, прогибомеры устанавливаются чаще.
Приборы для измерения деформаций (тензометры, индикаторы, тензодатчики) устанавливаются или наклеиваются в тех сечениях, в которых определяются деформации волокон, а по ним - напряжения в стали, бетоне или арматуре. Это прежде всего расчетные сечения.
В железобетонных балках деформации замеряются в середине пролета и у опор. Приборы устанавливаются в сжатой зоне на бетон, а в растянутой - на арматуру. При испытании балок тензометры размещаются в основном по верхнему и нижнему поясам, а при испытании ферм кроме того, на элементах решетки.
В центрально сжатых или растянутых элементах приборы устанавливаются по осям симметрии сечений. В изгибаемых и внецентренно сжатых элементах, где деформации по высоте сечения не одинаковы, измерения производят в нескольких точках по высоте сечения.
При необходимости исследуются также стыки конструкций, места заделки преднапряженной арматуры, опорные узлы (в арках и фермах).
Постановка индикаторов в торцах конструкции и на концах стержней дает возможность определить общее удлинение или укорочение балок, колонн, ферм и других конструкций.
Желательно приборы ставить симметрично по обеим сторонам конструкции. В результате получают дублирующие данные.
Количество приборов зависит от характера испытаний. При научных исследованиях приборов устанавливается больше.
Нужно помнить, что глубина и широта исследований не всегда зависит от количества приборов. Чрезмерное количество приборов вызывает затруднения при наблюдении за ними, усложняет обработку полученных данных и может снизить эффективность испытаний. Следует стремиться к надежной и продуманной схеме расстановки приборов, используя их в минимально необходимом количестве.

3. Проведение испытаний строительных конструкций статической нагрузкой

Перед началом испытаний проводится подготовка конструкции, которая сводится к ее очистке, зачистке мест установки приборов, побелке поверхностей для железобетонной конструкции, сооружению приспособлений для создания нагрузок, сооружению страховочных и рабочих подмостей. К подготовительным работам относятся также установка приборов в соответствии с рабочей схемой, проверка работоспособности системы силового возбуждения и измерения.
Подготовленную к испытаниям конструкцию выдерживают 12-20 часов для наблюдения за влиянием колебаний температуры на деформации в конструкции и показания приборов.
Далее производятся первоначальные отсчеты и ведется нагружение в соответствии с программой испытаний. Приложение нагрузки осуществляется плавно, без ударов и толчков. В процессе испытаний ведутся журнал и ведомости испытаний, куда заносятся отсчеты приборов, данные замеров трещин, особенности поведения конструкции.
Осмотр конструкции следует производить каждый раз после увеличения нагрузки на одну ступень. При приближении нагрузки к нормативной особое внимание уделяют обнаружению трещин в бетоне. Если они образовались, то за ними ведутся наблюдения, границы трещин отмечаются.
По результатам освидетельствования конструкции после испытаний составляется акт.
Особое место в процессе испытания должны занимать вопросы техники безопасности. Наиболее опасно для людей случайное разрушение конструкции. Поэтому устраивают страховочные подмости, способные воспринять на себя вес обрушивающейся конструкции. Подмости проектируют так, чтобы зазоры между ними и конструкцией не препятствовали перемещениям ее элементов при испытании.
Подмости для передвижения людей должны быть снабжены лестницами, перилами и другими ограждениями (навесы, козырьки).
Временные конструкции и площадки под грузы (платформы) должны быть надежными. Грузовые платформы располагают на расстоянии 10-40 см от пола.
Очень важно оградить испытания от посторонних лиц. Желательно устройство дистанционного управления домкратами и приборами.
Особенности испытаний строительных конструкций статической нагрузкой эксплуатируемых или построенных зданий и сооружений заключаются в том, что:

элементы испытываются в составе пространственных конструкций без выделения их в более простые линейные или плоские системы;
испытания проводятся на месте их работы;
при испытании конструкции не доводятся до разрушения;
часто не удается обнаружить проектных материалов, поэтому во время освидетельствования приходится производить тщательные обмеры с составлением чертежей;
во время освидетельствования производится осмотр конструкций и фиксируются повреждения, условия опирания и степень заделки;
испытания отдельных элементов производятся не до определенной заранее нагрузки, а до появления в элементах напряжений и усилий, на основании которых можно дать правильную оценку их несущей способности, жесткости и трещиностойкости.

По полученным при испытании строительных конструкций данным о величине нормативных и расчетных нагрузок судят о их соответствии с реально действующими или ожидаемыми нагрузками и решают вопрос о необходимости усиления конструкции.
В процессе увеличения нагрузки, например, надстройки здания, организуется непрерывное наблюдение за состоянием конструкций. После завершения строительных работ рекомендуется провести повторные измерения напряжений в конструкции.

4. Обработка материалов испытаний конструкций нагрузкой и оценка их состояния

Обработка проводится в два этапа:

полевая обработка показаний приборов;
камеральная обработка материалов испытаний.

Полевая обработка сводится к заполнению всех граф журнала, т.е. вычислению конечных результатов каждого измерения (вычислению прогибов, напряжений, модулей упругости). Для каждой точки наносят измеренные величины на заранее построенные теоретические кривые. Нанесение опытных данных на теоретические кривые позволяет судить не только о характере работы конструкции, но и дает возможность перехода к следующему циклу загружения.
Камеральная обработка представляет собой дальнейшую обработку полученных данных для последующего заключения о состоянии конструкции.

Оценка состояния конструкции по прочности производится путем сравнения теоретического напряженного состояния, полученного от нормативной, расчетной или другой контрольной нагрузки, с экспериментальным. Оценка конструкции по жесткости производится путем сравнения фактических и теоретических прогибов.
При установлении степени соответствия между расчетной нагрузкой и нагрузкой, разрушающей конструкцию, пользуются коэффициентом запаса, назначаемым в пределах от 1,6 до 3,0, т.е. разрушающая нагрузка должна быть в 1,6-3,0 раза больше расчетной. Опытная конструкция удовлетворяет условиям, если ее разрушение наступило под нагрузкой, составляющей не менее 0,95 теоретической разрушающей нагрузки.
Оценка бетона по трещинообразованию или раскрытию трещин прозводится на основании сравнения фактического момента появления трещин или ширины их раскрытия с теоретическим или нормативным значением этих величин.
Конструкции I и II категорий трещиностойкости признаются удовлетворительными, если появление первых трещин произойдет при нагрузке, превышающей проектную. Для I категории эта нагрузка должна быть равна или более расчетной, для II категории - нормативной.
Конструкция III категории трещиностойкости признается годной, если при нормативной нагрузке раскрытие трещин не превышает соответственно 0,1 или 0,3 мм в зависимости от вида конструкции.

Технический отчет по результатам испытаний статической нагрузкой обязательно должен содержать:

программу испытания с обоснованием его необходимости, принятой методикой и перечнем ожидаемых результатов;
предварительный расчет испытываемой конструкции на испытательные нагрузки с определением ожидаемых величин усилий, напряжений, прогибов, перемещений и других данных в заданных программой точках и сечениях;
схему испытательного стенда с размещением испытываемой конструкции, измерительных и контролирующих приборов и аппаратуры;
описание хода испытаний и регистрацией всех установленных в ходе испытаний непредвиденных особенностей;
результаты испытаний (таблицы, графики, эпюры, фотограмметрические снимки и другие документальные свидетельства, полученные в результате испытаний);
сопоставление теоретических и экспериментальных данных;
анализ и объяснение причин отличия результатов от теоретических расчетов;
выводы по проведенному испытанию строительных конструкций, рекомендации и предложения;
приложения (ведомости испытаний, обмерочные чертежи испытанной конструкции, сертификаты на материалы или акты их испытаний и другие экспериментальные данные).