Комплексная методика оценки состояния конструкций неразрушающими методами
Нормативный срок службы деревянных конструкций составляет 60 лет. Фактически же, особенно в зданиях-памятниках архитектуры, они служат более 200 лет в условиях:
- многократного увеличения вибрационных нагрузок от большегрузного транспорта,
- повышения требований по восприятию нагрузок,
- ненормальных температурно-влажностных условиях эксплуатации.
Основными причинами повреждений деревянных перекрытий являются:
- длительные протечки кровли;
- аварии и скрытые течи внутренних сетей водо- и теплоснабжения, канализации;
- ошибки ремонта узлов опирания балок на стены и ремонтов зданий в целом;
- резкие перепады температуры и влажности в зданиях переведенных в разряд нежилых;
- изначальные дефекты древесины и брак при проведении строительно-монтажных работ.
По опыту работы с перекрытиями в Михайловском замке и других дворцах Государственного Русского музея, а также жилых зданий старой постройки наиболее характерным следствием перечисленных выше причин являются:
- гниль в местах намокания перекрытий;
- гниль в опорных узлах;
- нарушение сопряжения деревянных элементов;
- запредельные остаточные прогибы балок;
- усушечные и косослойные трещины в балках;
- отслоение подшивки потолка (зачастую исторического) от балок перекрытия.
Реже встречаются поражения домовым грибком и жуком.
Опасность повреждения деревянных конструкций усугубляется тем, что повреждения длительное время остаются скрытыми и обнаруживаются только при разборке полов или после аварийного разрушения самой конструкции. В большинстве случаев скрытые повреждения имеют локальный характер, что требует индивидуального подхода в каждом конкретном случае как в определении характера и объема повреждений, так и в выборе способа ремонта.
Поэтому на стадии предпроектных и изы-скательских работ необходимо получить информацию о текущем состоянии конструкций, конструкционных материалов, о реальной пространственной схеме работы здания для принятия правильного решения о целесообразности реконструкции существующих зданий и сооружений и для выбора оптимального варианта ее проведения.
Возможность получения такой информации дает комплексная методика оценки состояния конструкций, применяемая как для деревянных элементов, так и для каменных, для зданий в целом. В этом заключается ее универсальность. Однако в данной статье мы проиллюстрируем ее на примерах деревянных перекрытий.
Достоверная количественная оценка несущей способности конструкций возможна только при учете в исходных данных реальных прочностных характеристик материалов, фактического состояния и особенностей работы конструкций. Свойства материалов и состояние конструкций под воздействием неблагоприятных факторов меняются в период эксплуатации и на момент обследования или ремонта представляют некоторую неопределенность.
Поэтому цель методики заключается в определении и оценке текущей несущей способности конструкций и схем работы здания в целом на основании реальных данных о свойствах материалов и фактическом состоянии конструкции.
Своевременная и точная диагностика текущего состояния здания неразрушающими инструментальными методами не только служит основой для разработки или оптимизации концепции предстоящей реконструкции (предпроектных предложений), но может в большинстве случаев обеспечить 10-100-кратную экономию средств в период реконструкции и эксплуатации объекта. Кроме этого, данная методика незаменима для объектов, находящихся под охраной КГИОП.
В соответствии с поставленной целью методика подразумевает решение следующих задач.
I. Обследовательская часть
1. Выявление особенностей исполнения и внешних признаков повреждений и дефектов обследуемых конструкций при визуальном освидетельствовании.
2. Определение необходимых прочностных и физико-механических характеристик материалов неразрушающими инструментальными и/или лабораторными методами.
3. Выявление скрытых (внутренних) дефектов и повреждений обследуемых конструкций неразрушающими инструментальными методами.
4. Регистрация и обработка спектров микровибраций в различных точках конструкции, полученных при искусственном или естественном возмущении колебаний.
II. Расчетно-аналитическая часть
1. Построение базовой математической модели конструкции на основе ее пространственной геометрии, особенностей опирания, состава элементов и нормативных физико-механических характеристик материалов.
2. Корректировка базовой математической модели на основе результатов инструментального обследования и получение расчетной модели, полностью отражающей текущее состояние конструкции, учитывающей локальные повреждения и дефекты и позволяющей варьировать как внешние нагрузки, так и условия работы элементов.
3. Расчетная оценка фактической несущей способности конструкции численными методами при различных вариантах нагружения или внесение конструктивных изменений.
4. Поверочные расчеты конструкции инженерными методами.
5. Сопоставление и обобщение результатов оценки несущей способности.
ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ОБСЛЕДОВАНИЯ
Определение плотности древесины
Плотность древесины в конструкциях определяется методом прецизионного сверления с помощью дрели DDD-200 фирмы Sibert techn - l - gy (Великобритания). Точки измерения выбираются на основании внешних признаков - следов деструкции, гнили или намокания древесины на различных участках длины деревянных элементов.
Определение влажности конструкционных материалов
Влажность определяется электрическим методом с помощью влагомера, например, НЕ 60 (Италия). Прибор позволяет определять влажность строительных материалов, поверхностную влажность элементов конструкций и влажность материалов внутри конструкций. Точки измерения выбираются на основании внешних признаков намокания на различных участках каждого элемента.
Ультразвуковые исследования
Прозвучивание тела конструкции может производиться прибором УК-10П (Россия). Сквозное поперечное прозвучивание выполняется без отбора образцов, прозвучивание вдоль волокон - с отбором образцов. Прибор позволяет с высокой надежностью выявить скрытые деструктивные участки.
Лабораторные испытания
В лабораторных условиях проводятся определение прочности образцов кирпича и раствора, микологический анализ древесины, испытания кернов грунта и проб воды.
Динамические испытания
Динамические испытания проводятся с целью получения достоверных данных о состоянии обследуемых конструкций для последующего анализа их динамических характеристик - частот свободных колебаний, эпюр (графиков относительных перемещений точек конструкции), амплитуд колебаний в различных точках и декрементов затухания, а также скоростей распространения продольных волн в конструкционных материалах.
В результате обработки первичных экспериментальных данных получаются значения частот собственных колебаний и скоростей распространения волн для всех испытываемых элементов.
Аппаратная часть измерительного комплекса состоит из регистрирующих, усиливающих, преобразующих и записывающих компонентов, программная - из пакета прикладных специализированных программ для спектрального анализа опытных данных.
Далее строится конечно-элементная модель конструкции или здания в целом и выполняется расчетная оценка жесткости и прочности.
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Оценка состояния зданий, сооружений и отдельных элементов с помощью математических моделей является наиболее эффективным средством анализа результатов динамических испытаний.
Для построения базовых моделей используется метод конечных элементов и программное обеспечение, применяемое при проектировании, в частности, при оценке их работы в условиях внешних динамических и статических нагрузок. В каждую модель закладываются проектные решения, геометрические и жесткостные характеристики элементов строительных конструкций и определяются частоты различных форм свободных колебаний. Расчетные значения частоты сравнивают с полученными экспериментально и, в случае их существенного отличия, корректируют параметры модели, изменяя закладываемые в нее жесткостные или геометрические характеристики до совпадения расчетных и экспериментальных данных. Параметрами адаптации модели до совпадения фактических и модельных динамических характеристик являются модули упругости, типы сопряжения отдельных элементов и плотности материалов.
Созданные таким образом расчетные модели служат для расчета фактической несущей способности и оценки эффективности усиления или приемлемости различных проектных решений, связанных с реконструкцией здания.
Надежность моделирования и расчета напряженно-деформированного состояния конструкций достигается путем адаптации базовой модели к реальным параметрам конструкций.
Отличительные особенности методики заключаются в минимизации неадекватности модели и натурной конструкции за счет:
а) уточнения схем работы несколькими независимыми инструментальными методами;
б) определения прочностных характеристик материалов инструментальными методами в натурных условиях;
в) проведения специальных динамических испытаний строительных конструкций и зданий в целом.
Математическая модель подвергается численному эксперименту, заменяющему натурные испытания на действие новых нагрузок или на изменение объемно-планировочного и конструктивного решений.
Далее следует стадия разработки технических решений по ремонту конструкций.
СПОСОБ РЕМОНТА ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПАУНДОВ
Часто бывает необходимым обеспечить максимально возможную сохранность деревянных конструкций. Кроме того, в ряде случаев замена, например, балок перекрытия здания, представляющего историческую ценность, просто невозможна без демонтажа, предположим, лепного декора на потолке нижнего этажа. В этих случаях допустим только ремонт и усиление конструкций.
При ремонте перекрытий в основном приходится решать следующие задачи:
- усиление балок с целью повышения жесткости;
- конструктивное восстановление узлов соединения деревянных элементов при одновременном восстановлении поврежденных участков;
- протезирование опорных участков балок;
- заделка трещин для предотвращения дальнейшего разрушения;
- стабилизация подшивки потолка.
В необходимых случаях до начала работ производится просушка деревянных конструкций с помощью специальной микроволновой установки. Такая обработка позволяет не только устранить влагу внутри древесины, но и эффективно уничтожить домовой грибок и жуков.
Например, в комплексе зданий Русского музея применялись немецкие "сушилки" МWТА 1.1 фирмы "МТВ", польские - ТИМ фирмы Plasmatr - nica, отечественные - М-Муравей фирмы "Ингредиент". Можно отметить, что отечественная микроволновая сушилка М-Муравей удобна в работе, надежна и качественна. Она позволяет не только высушивать поверхность, но и оценить ступень поражения ее влагой. К тому же, М-Муравей позволяет работать и зимой, при минимальной температуре до +5 оС. Это очень важно, т. к. вся строительная химия, все полимерные составы подвержены замерзанию и не твердеют при низких температурах.
В зарубежной практике для ремонта и усиления деревянных конструкций широко применяются компаунды на основе эпоксидных смол. Однако прямое заимствование зарубежного опыта было бы некорректным из-за различий в физико-механических характеристиках компонентов, нормах проектирования, методах испытаний и стандартах на материалы. Поэтому для проведения работ изначально были разработаны оптимальные составы компаундов. Для сокращения сроков полимеризации или обеспечения условий полимеризации некоторых видов компаундов при температурах ниже +5 оС должно применяться микроволновое облучение конструкции, обеспечиваемое специальной установкой.
ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ
Целью испытаний было определение резерва/дефицита прочности и/или несущей способности балок. В результате испытаний:
- выявлены балки со скрытыми дефектами и, как следствие, с пониженной жесткостью,
- оценены условия опирания балок на стены,
- выявлены повреждения узлов соединения балок и ригелей,
- определен дефицит несущей способности отдельных участков перекрытия в условиях воздействия новых статических нагрузок,
- разработаны технические решения по ремонту и усилению перекрытия и новые планировки помещения.
Полученные результаты позволяют считать, что квадрат частоты собственных колебаний fi2 элементов после усиления увеличился на 24-25%. Если же учесть увеличение массы балок после усиления за счет заполнения компаундом и установки деталей опалубки и крепежа примерно на 10%, то увеличение расчетной жесткости EiJi может достигать 37%.
Характер эпюр, полученных в результате обработки экспериментальных данных, наглядно демонстрирует образование жесткого соединения балок с ригелями - для Б9 на участке 7,5-9,0 м, для Б14 на участке 0,0-1,0 м. При этом форма эпюр колебаний балок после усиления стала более симметричной как по величине скорости, так и по длине балок.
Особое внимание следует обратить на то, что до выполнения усиления узла соединения ригеля Р4 и балки Б14 эпюры колебаний начинались не от нулевой точки отсчета, что могло свидетельствовать о полной потере соединения элементов.
В лабораторных условиях в возрасте 30 суток были испытаны 10 образцов компаунда, изготовленных на основе эпоксидной смолы и перлитового песка при усилении балок. Результаты статистической обработки полученных данных с 95% вероятностью позволяют считать, что плотность примененного компаунда составляет 893 ± 4 кг/куб. м, прочность на сжатие - 137 ± 39,4 кгс/кв. см.
| Автор: Н. И. Шевченко, А. Н. Артемьев, А. Г. Иванов, С. Н. Савин Дата: 19.11.2003 Журнал Стройпрофиль 7 (29) Рубрика: *** Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |