CC BY
9УДК 624.131.385 + 620.174.22
ОЦЕНКА ПЛОЩАДИ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ РАБОЧЕЙ АРМАТУРЫ В ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ БАЛКАХ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ВИБРАЦИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ
Грищенко Г.А., Зюкин А.В., Курепчикова А.И., Смольнова М.Ю.,
магистранты 2 курса направления подготовки 08.04.01 «Строительство». Научный руководитель: к.т.н., доцент Абашин Е.Г. ФГБОУ ВО Орловский ГАУ
АННОТАЦИЯ
Рассматривается возможность диагностики площади поперечного сечения рабочей арматуры в железобетонных балках без предварительного напряжения арматуры по результатам их динамических испытаний в упругой стадии работы. Разработан способ определения площади поперечного сечения арматуры по основной частоте колебаний железобетонных балок на основе математических формул, показана погрешность предлагаемого способа, проведен эксперимент на натурных железобетонных конструкциях балках 2 ПБ 26-4, произведена корректировка математических формул по результатам экспериментальных исследований
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:
Площадь поперечного сечения рабочей арматуры, основная частота, продольные колебания, поперечные колебания.
ABSTRACT
The possibility of diagnostic cross-sectional area of the working reinforcement in concrete beams without reinforcement stress on the results of dynamic tests in the elastic stage of the work. A method for determining the cross-sectional area of reinforcement on the main oscillation frequency of concrete beams based on mathematical formulas is shown the error of the proposed method, an experiment in the field of reinforced concrete constructions beams 2 PB 26-4, correct mathematical formulas based on the results of experimental studies.
KEYWORDS
Cross-sectional area of the working reinforcement, main frequency, longitudinal vibrations, transverse vibrations.
Введение. В настоящее время в Российской Федерации железобетонные конструкции являются наиболее распространенными при возведении промышленных и гражданских зданий [4]. Проблема разработки новых неразрушающих методов контроля качества строительных железобетонных конструкций всегда имела актуальное значение, поскольку качество является фактором безопасности и надежности, как отдельной конструкции, так и всего здания в целом. [5, 20, 21]. При контроле качества железобетонных 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.
Из неразрушающих методов определения площади сечения арматуры известны методы просвечивания рентгеновским и электромагнитным излучениями [7]. У этих методов существует целый ряд недостатков [1, 2, 19, 22].
Просвечивание конструкции рентгеновским излучением производится с двух точек, по получившимся на фотопленке отпечаткам геометрическими методами определяют толщину защитного слоя бетона и диаметр арматурного стержня [5].
Данный способ не получил широкого распространения из-за расплывчатости получаемых отпечатков и, как следствие высокой погрешности, увеличивающейся с ростом толщины защитного слоя бетона [1, 4]. Кроме того, рентгеновское излучение опасно для здоровья оператора.
Хорошо известен электромагнитный метод [7] на основе которого серийно выпускаются приборы - измерители защитного слоя бетона, расположения и диаметра арматуры: «ПО-ИСК 2.3», «ИЗС - 10», «ИПА-МГ4». Принцип действия данных приборов состоит в фиксации изменения комплексного сопротивления датчика при взаимодействии его электромагнитного поля с арматурным стержнем. Данные приборы дают высокую погрешность более 10 % [5, 7, 18] и при реальных обследованиях с помощью них определяют только место расположения и направление арматурного стержня. Затем производят в выбранном месте скол бетона и определяют толщину защитного слоя и диаметр арматуры. Эта операция весьма трудоемка.
Исходя из вышеизложенного формулируем задачу исследования: разработать и экспериментально подтвердить способ определения площади поперечного сечения продольной арматуры в железобетонных балках по результатам их динамических испытаний с погрешностью ниже, чем у существующих методов.
1. Разработка способа определения площади поперечного сечения продольной арматуры в железобетонных балках. Проведен ряд теоретических и экспериментальных исследований научным коллективом под руководством В.И. Коробко, показавших возможность применения вибрационных методов для определения интегральных характеристик протяженных железобетонных конструкций (прочность, жесткость и трещиностойкость) [6, 10, 16, 17]. Полученные многочисленные патенты [11...14] в этом направлении основаны на использовании фундаментальной закономерности, установленной В.И. Коробко [8], согласно которой: произведение максимального прогиба упругой однопролетной балки, нагруженной равномерно распределенной нагрузкой q, на квадрат ее основной частоты колебаний с точностью до коэффициента q/m (где q - интенсивность нагрузки, т - погонная масса балки) есть величина постоянная, равная « 4/п не зависимо от граничных условий опирания:
« 4/к- д/
т.
(1)
В статье [11] теоретически показана возможность оценки площади поперечного сечения продольной арматуры в протяженных железобетонных конструкциях балочного типа по основной (первой резонансной) частоте поперечных (формула 2) или продольных (формула 3) колебаний:
А = 1
§ 2 а ,У_
^ 4<п т Т Л --
у 83,12ЕЬ ь
(2)
А, = ^
ас
С 2 2
Юпр£_т _ д
Е Аь Еь п
(3)
В формулах (2) и (3) использованы следующие обозначения: Д5 - площадь поперечного сечения рабочей арматуры; а5 - отношение модулей упругости стали и бетона;
у5 - расстояния от центра тяжести приведенного сечения до равнодействующих усилий арматур Д5;
1_ - длина балки;
шпоп - основная частота поперечных колебаний; Еь - модуль упругости бетона; 1Ь - момент инерции приведенного сечения бетона; шпр - основная частота продольных колебаний; Аь - площадь сечения бетона [3].
На основании формул (2) и (3) предложен динамический способ определения площади поперечного сечения продольной арматуры. Суть этого способа заключается в возбуждении в испытываемой конструкции свободных (или вынужденных колебаний) на основной (или первой резонансной) частоте ш, измерении этой частоты каким либо прибором, например «Вибран-2», и определении площади поперечного сечения продольной арматуры по формулам (2) при использовании поперечных колебаний или (3) при использовании продольных колебаний. Реализация данного способа требует измерения геометрических размеров конструкции, ее массы, модуля упругости бетона.
2. Оценка погрешности предложенного способа определения площади поперечного сечения продольной арматуры. Для исследования погрешности предлагаемого способа контроля площади поперечного сечения продольной арматуры используем метод максимума-минимума. Согласно методу максимума-минимума, для нахождения максимального значения погрешности метода, в качестве первичных погрешностей берут наибольшие предельные отклонения для всех параметров, у которых коэффициенты влияния положительные, и наименьшие предельные отклонения для параметров с отрицательными коэффициентами влияния; для нахождения минимального значения погрешности - наоборот, в качестве первичных погрешностей параметров с положительными коэффициентами влияния принимают наименьшие предельные отклонения, а параметров с отрицательными коэффициентами - наибольшие отклонения.
Методика оценки погрешности подробно изложена в [15].
Результаты исследования погрешности при контроле площади поперечного
сечения продольной арматуры приведены на рисунке 1. %
160 140
сЦ; ММ
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
Рисунок 1 - Изменение относительной погрешности определения площади поперечного сечения продольной арматуры при использовании поперечных колебаний
(Шпоп)
Анализ графика показывает:
1. Погрешность для исследуемого диапазона значений диаметров арматуры достигает 50 % и более.
2. Увеличение площади поперечного сечения (диаметра) арматуры балок ведет к снижению погрешности. Так, для балки с ds = 36 мм погрешность составляет менее 28 %. Очевидно, существует возможность применения предложенного варианта способа для контроля площади конструкций балочного типа с жестким армированием или с высоким процентом армирования.
3. Высокая погрешность обусловлена низкими требованиями к определению начального модуля упругости, минимальное нормированное допустимое отклонение значений модуля упругости бетона 8 % (при определении склерометрическими методами), при снижении погрешности определения начального модуля упругости бетона существенно снизится и погрешность определения площади сечения арматуры.
4. Погрешность при использовании варианта с продольными колебаниями составляет более 100% [2] и вариант способа с применением продольных колебаний (формула 3) исключаем из дальнейшего рассмотрения.
5. Погрешность определения диаметра арматуры предложенным способом с применением поперечных колебаний (формула 2) сопоставима с практикой использования для этих целей магнитного метода. Кроме того, вероятность проявления всех неблагоприятных факторов, повышающих погрешность одновременно, крайне мала, и реальные отклонения при диагностике строительных конструкций могут быть значительно ниже. Поэтому необходимо провести эксперимент на натурных конструкциях, чтобы подтвердить или опровергнуть высказанное предположение.
3. Экспериментальные исследования железобетонных балок 2 ПБ 26-4.
Для экспериментальной проверки зависимости (2) были изготовлены 6 типов железобетонных перемычек (по две одинаковых, всего 12 штук) с одинаковым начальным модулем упругости бетона Еь = 23 • 103 МПа: арматура класса А-400, но разного диаметра = 8; 10; 12; 14; 16 и 18 мм) по две каждого типа; со следующими геометрическими характеристиками: I = 2590 мм, Ь = 120 мм, И = 140 мм; масса перемычек т ~ 109 кг.
Методика проведения эксперимента заключалась в следующем: в железобетонной балке 1, предварительно установленной опорах 2 и 3, с помощью импульсного ударного устройства 4 возбуждались поперечные и продольные механические колебания, с помощью виброанализатора 5 определялась основная (первая резонансная) частота колебаний. При каждом испытании записывались не менее 10 виброграмм при разных интенсивностях ударных импульсов.
Схема экспериментального стенда, приведена на рисунке 2.
Рисунок 2 - Функциональная схема испытательного стенда: 1 - контролируемая балка; 2, 3 - подвижная и неподвижная шарнирные опоры; 4 - ударное устройство; 5 - виброанализатор «Вибран-2»; 6 - опоры стенда
После проведения статистической обработки результатов эксперимента была составлена таблица 1.
Анализ таблицы 1 позволяет сделать следующие выводы:
- экспериментально подтверждено наличие функциональной связи между площадью (диаметром) арматуры и основной частотой поперечных колебаний балки в ненагруженном состоянии;
- качественное и количественное совпадение экспериментальных результатов с теоретическими удовлетворительное;
- при использовании поперечных колебаний наибольшие отклонения экспериментальных результатов от теоретических (около 10 %) наблюдаются при низких значениях диаметра рабочей арматуры (это обстоятельство объясняется тем, что при малых диаметрах арматуры пластические свойства бетона преобладают над упругими свойствами арматуры).
Таблица 1 - Сопоставление теоретических результатов, полученных по формуле 2, и результатов измерения основной частоты поперечных колебаний железобетонных балок с различными диаметрами рабочих арматур
Диаметр арматуры, ds, мм 8 10 12 14 16 18
-1 ^поп (эксп), с 165 167 182 176 189 190
-1 ^поп (теор), с 183,8 185,7 187,9 190,2 192,6 195,1
Отклонение, с-1 18,8 18,7 5,9 14,2 3,6 5,1
Отклонение,% 10,23 10,07 3,14 7,47 1,87 2,63
4. Корректировка формулы (2) по результатам экспериментальных исследований. Разработанный способ определения площади поперечного сечения арматуры в железобетонных балках при использовании поперечных колебаний имеет погрешность около 10% (формула 2), т.е. сопоставима с существующими методиками. Однако есть возможность снижения погрешности путем корректировки коэффициентов в формуле (2) по результатам испытания эталонных конструкций.
Суть предлагаемого способа корректировки заключается в следующем. При освоении выпуска новых конструкций на предприятиях строительной индустрии необходимо изготовить 8...10 эталонных конструкций при строгом соблюдении всех технологических операций и провести их испытание по предложенной методике. По результатам испытания следует провести корректировку коэффициентов пропорциональности в рассмотренных математических моделях с сохранением структуры формул.
Примем результаты проведенных испытаний железобетонных балок за результаты испытаний эталонных конструкций. Для корректировки формулы (2) удобно воспользоваться методом наименьших квадратов, согласно которому параметры исследуемого уравнения определяются из условия, при котором сумма квадратов отклонений измеренных значений от расчетных принимает наименьшее значение [9].
После корректировки формула (2) приняла следующий вид:
( 14ш2ш ^
А =■
1
2,79 • а8у2
V 64,12-Е ь
- К
(4)
Отклонения откорректированной формулы (4) от экспериментальных значений приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Сопоставление теоретических, полученных по формуле (4) и экспериментальных результатов при определении диаметра арматуры по частоте
поперечных колебаний
Диаметр арматуры, ds, мм 8 10 12 14 16 18
ыпоп (эксп), с- 165 167 182 176 189 190
ыпоп (теор), с-1 167,06 171,49 179,71 181,81 187,26 192,62
Отклонение, с-1 2,06 4,49 2,29 5,81 1,74 2,62
Отклонение, % 1,23 2,62 1,27 3,2 0,93 1,36
Как видно из таблицы 2 отклонение экспериментальных данных от теоретических находятся в пределах 4 %; до корректировки отклонение достигало 10%.
Выводы.
1. Разработаны математические модели, связывающие величину площади поперечного сечения арматуры железобетонных балок, выполненных без предварительного напряжения арматуры, с основной частотой поперечных и продольных колебаний балок.
2. Проведенные исследования относительной погрешности по методу максимума-минимума при использовании предложенных математических моделей показали:
- значение относительной погрешности при использовании поперечных колебаний составляет 50% и более что сопоставимо с известными методиками;
- при использовании варианта возбуждения продольных колебаний погрешность неудовлетворительна (составляет более 100%) и данный вариант исключается из рассмотрения.
3. Проведенные экспериментальные исследования показали, что реальные отклонения экспериментальных значений от теоретических, посчитанных по формуле 2, составили 10 %.
4. Разработан способ корректировки математических моделей, позволяющий снизить погрешность при использовании поперечных колебаний до 4%, что значительно лучше существующих методик.
Библиография:
1. Абашин Е.Г. Определение площади поперечного сечения рабочей арматуры в железобетонных балках вибрационным методом // Строительство и реконструкция. 2011. № 5. С. 3-7.
2. Абашин Е.Г. Определение площади поперечного сечения арматуры в железобетонных балках статическим и динамическим способами // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2011. № 6. С. 160-164.
3. Байков В.Н., Сигалов Э.Е. Железобетонные конструкции: общий курс. М.: Стройиздат, 2013. 767 с.
4. Добромыслов А.Н. Диагностика повреждений зданий и инженерных сооружений. МГСУ.: АСВ, 2006. 256 с.
5. Землянский А.А. Обследование и испытание зданий и сооружений. М.: АСВ, 2004. 240 с.
6. Калашников М.О. Диагностика и контроль качества строительных конструкций вибрационными методами: 05.23.01 «Строит. конструкции, здания и сооружения»: автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук; [Орловский гос. техн. ун-т]. Орел, 2011. 23 с.
7. Обследование и испытание зданий и сооружений / В.Г. Козачек, Н.В. Нечаев, С.Н. Нотенко, В.И. Римшин. М.: Высшая школа, 2004. 447 с.
8. Коробко В.И., Коробко А.В. Контроль качества строительных конструкций: Виброакустические технологии. М.: Изд-во АСВ, 2003. 288 с.
9. Коробко В.И., Коробко А.В. УНИРС для строителей: Учебно-научно-исследовательская работа студентов. АСВ, 1998. 302 с.
10. Коробко В.И., Абашин Е.Г. Способы определения площади поперечного сечения продольной арматуры и модуля упругости бетона в железобетонных балках по результатам статических и динамических испытаний // Известия ОрелГТУ. Серия «Строительство. Транспорт». Орел, 2010. № 2(28). С. 23-25.
11. Пат. 2217748 Российская Федерация, МПК КГЮ01 N 33/38. Способ определения величины предварительного напряжения арматуры в нагруженной конструкции балочного типа с передачей усилия преднапряжения на её торцы /
Коробко В. И. [и др.]; заявитель и патентообладатель ОГТУ. № 2002108462/03; заявл. 03.04.02; опубл. 27.11.03, Бюл. № 33. Электр. опт. диск. (CD-ROM).
12. Пат. № 2259546 Российская Федерация, МПК 7G01M 7/02. Способ неразрушающего контроля качества железобетонных конструкций балочного типа / Коробко В.И., Слюсарев Г.В., Калашников М.О.; заявитель и патентообладатель ОГТУ. 2004111574/28; заявл. 15.04.04; опубл. 27.08.05, Бюл. № 24. Электр. опт. диск. (CD-ROM).
13. Пат. № 2354949 Российская Федерация, МПК 7G01M 7/02. Способ неразрушающего контроля качества железобетонных конструкций балочного типа / Коробко В.И., Слюсарев Г.В., Калашников М.О.; заявитель и патентообладатель ОГТУ. 2007105315/28; заявл. 12.02.07; опубл. 10.05.09, Бюл. № 13. Электр. опт. диск. (CD-ROM).
14. Пат. 75035 Российская Федерация, МПК 51G01H 9/00. Устройство для измерения параметров вибрационых колебаний / Плотников С.Н., Богданов Н.Г., Щекотихин С.Н.; заявитель и патентообладатель Академия ФСО России. № 2008108442/22; заявл. 04.03.08; опубл. 20.07.08, Бюл. № 20. Электр. опт. диск. (CD-ROM).
15. Подмастерьев К.В. Точность измерительных устройств: Учебное пособие. Изд. 2-е, доп. и перераб. Орел.: ОрелГТУ, 2004. 139 с.
16. Слюсарев Г.В. Развитие и применение неразрушающих методов и средств вибрационного контроля качества железобетонных конструкций : дис. на соиск. учен. степ. д-ра. техн. наук : 05.23.01. : защищена 4.11.03 : / Слюсарев Геннадий Васильевич. Ставрополь; Орел, 2003 г. 370 с.
17. Юров А.П. Нетрадиционные вибрационные методы диагностики и контроля качества протяженных железобетонных конструкций : дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук : 05.23.01, 05.23.17. : защищена 25.02.05 : утв. 15.06.05: / Юров Александр Петрович. Орел, 2005 г. 135 с.
18. Gongtian S., Guang D. Acoustic emission test progress in China // Celebration for the 25th anniversary of Chinese society for NDT, nondestructive testing. Beijing, 2003. Vol. 6. P. 125-131.
19. Kim U. A nondestructive testing method for crack in carbon fiber reinforced concrete with infrared thermography // Journal key engineering materials. 2005. № 32. P. 2128-2133.
20. Kisa M., Brandon J.The effects of closure of cracks on the dynamics of a cracked cantilever beam // Journal of sound and vibration. 2000. № 1. P. 1-18.
21. Limaye B. Need for non-destructive testing (NDT) of reinforced concrete & various ND tests // National seminar of ISNT Chennai. 2002. P. 472-483.
22. Neild S.A. Using non-linear vibration techniques to detect damage in concrete bridges // Department of engineering science, University of Oxford. 2002. P. 249.
УДК 711:004.6
ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ В РАЗВИТИИ ГРАДОСТРОИТЕЛЬНОЙ
ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
Истранина Е.В., магистрант 2 курса направления подготовки 08.04.01 «Строительство». Научный руководитель: д.э.н., профессор Суворова С.П. ФГБОУ ВО Орловский ГАУ
АННОТАЦИЯ
В статье обсуждается роль и значение информационных систем для городских территорий в области пространственного планирования и управления развитием
