Оценка напряженно-деформированного состояния бетона эксплуатируемых железобетонных конструкций

При проведении обследований зданий и сооружений полученные с помощью различных методов прочностные характеристики бетона сравниваются с фактическими напряжениями, действующими в нем, которые определяются в настоящее время в основном аналитически. Экспериментальное определение НДС натурных конструкций применяется, как правило, в ответственных зданиях и сооружениях из-за большой трудоемкости и крупных денежных затрат.

Обзор отечественных и зарубежных исследований по определению напряженно-деформируемого состояния бетона эксплуатируемых железобетонных конструкций показал, что наиболее применимы на практике компенсационный метод и метод частичной разгрузки (Коршунов Д.А., Сидоренко М.В., Ялов Г.Н. Определение напряжений в бетоне конструкций. Бетон и железобетон). Недостатки этих методов состоят в том, что для определения напряжений по величине измеренных деформаций необходимо знать модуль деформации бетона. На практике установление модуля упругости бетона производится по известным зависимостям от прочности бетона, по результатам ультразвуковых и резонансных испытаний, что приводит к ошибкам. Кроме того, при осуществлении этих методов сохраняется связь исследуемого участка конструкции с основным телом, что вносит искажение в определение деформаций. Компенсационный метод создает напряженное состояние в теле конструкции, которое не всегда соответствует фактической картине напряжений.

Наиболее точно модуль упругости можно определить при испытании образцов, отобранных из конструкции при детальном обследовании. При этом становится известной реальная диаграмма деформирования бетона, по которой можно судить и о действующих в материале наибольших напряжениях (эффект памяти). В свою очередь, сравнение фактической диаграммы «оь - ej,» поведения бетона с первоначальной моделью (Варламов А.А., Круциляк Ю.М. Оценка изменений структурно-деформативных характеристик бетона в процессе его эксплуатации. Бетон и железобетон.) дает общую картину произошедших изменений в материале. К тому же после извлечения образца мы получаем дополнительную информацию о бетоне: величину карбонизации, плотность материала, состав бетона, которая необходима для прогноза поведения конструкций. В настоящее время вырезание образцов производится в основном только для определения прочности бетона.

Нами предлагается метод, позволяющий определять напряжения, основанный на выпиливании образца с последующим его выламыванием из массива. При этом деформации наиболее точно можно определять с помощью тензорезисторов. Использование для этой цели существующих компараторов различной конструкции нецелесообразно, так как при этом уменьшается точность измерения (в 10-20 раз) по сравнению с тензометрией и усложняется процесс снятия показаний на натурных конструкциях.

В общем случае для определения величины и направления главных деформаций перед выпиливанием на подготовленную поверхность исследуемой конструкции наклеивается прямоугольная розетка тензорезисторов с компенсационным датчиком, расположенным на этой же конструкции (рис.1). Расстояние между наклеенными тензорезисторами должно обеспечивать возможность отбора образцов требуемых размеров, учитывая зону выступа пропилов (с) (см. рис.2). С другой стороны, при конструировании тензорозеток надо стремиться компоновать тензорезисторы как можно ближе друг к другу (Il-xnin).

Минимальные размеры образцов должны не менее чем в 2 раза превышать максимальный размер крупного заполнителя, использованного для изготовления конструкции, из которого отбирают образец для испытания. Практическая отработка предложенного метода происходила на лабораторных образцах и в фасонно-литейном цехе ЗАО «Механоремонтный комплекс» ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (чугунолитейное и сталелитейное отделения), а также в жилых девятиэтажных панельных домах серии 121 города Магнитогорска.

Здание сталелитейного отделения, прямоугольное в плане размером 85,64x299 м, состоит из четырех пролетов одного направления. Введено в эксплуатацию в 1941 г. Каркас здания выполнен преимущественно в виде монолитных железобетонных рам с шагом 6,5 м. Напряжения в колоннах и несущих вертикальных панелях определяли при действии постоянной нагрузки. Во время отработки методики оценивали долю напряжений, добавляющихся при наезде на колонны мостовых кранов. Для этого замеряли отклонения показаний тензорезисторов во время работы как одного крана в пролете, так и нескольких кранов с разными грузами и режимами работы в течение смены.

При отработке метода отбирали образцы для выпиливания размером 40x40x160 мм. Так как извлекаемые из конструкций образцы меньше стандартных, было произведено сопоставление результатов, полученных на образцах разных размеров. В панели девятиэтажного дома был выпилен образец размером 150x150x600 мм в месте будущего проема и произведено испытание его в лаборатории. Прочность призмы была меньше средней прочности, полученной по результатам испытаний образцов размером 40x40x160 мм, на 8 %. При выпиливании из стандартных образцов в лабораторных условиях разброс прочностных и деформативных характеристик малых образцов и стандартных призм не превышал 14%. Незначительное различие в результатах испытаний стандартных призм и образцов малых размеров объясняется ослаблениями бетонных призм, которые появляются при выпиливании и выламывании, а также эксцентриситетами, возникающими при испытании малых образцов.

Выпиливание образцов производилось алмазным инструментом (болгаркой), который обеспечивал чистый срез и высокое качество обрабатываемой поверхности. Режим работы инструмента при выпиливании образцов строго регламентировался, поскольку в про¬ цессе выпиливания образец находится под воздействием усилий, вызываемых силами резания, трения пилы о бетон и т.п., которые деформируют как сам образец, так и структурные элементы бетона. Степень влияния этих сил зависит от размеров образца, размера зерен крупного заполнителя, его физико-механических свойств, прочности растворной части, сил сцепления между заполнителем и раствором и т.п. На основании лабораторных испытаний разработана методика выпиливания образцов из бетона.

По разности показаний тензорезисторов до и после выпиливания вычисляли упругую составляющую деформаций бетона. Для определения характеристик диаграммы поведения бетона проводили испытание отобранных образцов в лабораторных условиях с получением этих диаграмм в текущий момент времени. Было произведено сравнение фактических средних диаграмм «о -с» с диаграммами, построенными по теоретическим зависимостям, для кратковременных испытаний и с уточненной диаграммой, полученной путем подстановки фактического модуля, определенного при испытании, в теоретические зависимости (рис. 3). Средние диаграммы строили путем обработки экспериментальных данных методом наименьших квадратов.

Из анализа полученных теоретических и фактических диаграмм были сделаны следующие выводы:

для образцов бетона конструкций сталелитейного и чугунолитейного отделений средние и уточненные диаграммы практически совпадают друг с другом.
На экспериментальных диаграммах можно определить максимальные напряжения, действующие в процессе эксплуатации (проявление эффекта памяти). Это точки отклонения диаграмм от прямой, характеризующей начальный модуль упругости бетона.
хорошее совпадение экспериментальных диаграмм с теоретическими можно объяснить тем, что бетон исследованных конструкций работал в области малых напряжений, поэтому пластические деформации оказались не выбранными. Действующие напряжения, определенные с помощью предлагаемой методики, составляли 0,25-0,42 от разрушающей нагрузки, без учета крановых воздействий. Крановые нагрузки в сталелитейном и чугунолитейном отделениях вносили дополнительно напряжения, составляющие от 11 до 25% от напряжений при действии постоянной нагрузки.
напряжения, определенные в колоннах цехов, превысили теоретические значения до трех раз. Фактический эксцентриситет приложения нагрузки в колоннах больше по сравнению с теоретическим.
интервал разброса прочности выпиленных образцов для девятиэтажного дома составил 13,8%, для цехов - 15,9% от средней величины.