Диагностика потери устойчивости нагруженных железобетонных балок Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 539.3

ДИАГНОСТИКА ПОТЕРИ УСТОЙЧИВОСТИ НАГРУЖЕННЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ БАЛОК

© Х.Ф. Махмудов, В.С. Куксенко, Н.Г. Томилин, А.В. Бенин

Ключевые слова: балка; деформация; изгиб; железобетон; тензодатчик; метод акустической эмиссии. Железобетонные балки длиной 1,7 м, сечением 0,3х0,1 м нагружались изгибом по трехточечной схеме. Тензодатчиками регистрировалась деформация, в т. ч. локальная. Методом акустической эмиссии регистрировались микротрещины. Потеря несущей способности балки надежно выявлена по качественному и количественному изменению акустической эмиссии.

Диагностика надежности железобетонных конструкций является актуальной проблемой [1]. Это особенно важно для крупногабаритных объектов, внезапное разрушение которых может приводить к большим экономическим затратам и человеческим жертвам [2]. В настоящее время развиваются методы контроля состояния нагруженных объектов [3]. Большое развитие получил метод акустической эмиссии, позволяющий контролировать появление и развитие очага разрушения [4, 5].

Основные проблемы применения метода акустической эмиссии, возникающие при мониторинге железобетонных мостов, а также мировой опыт практического применения данного метода описан в [6]. Там же указано, что имеющийся опыт обследования и мониторинга железобетонных конструкций еще не слишком богат.

Испытывались на трехточечный изгиб железобетонные балки-образцы прямоугольного поперечного сечения высотой 0,3 м и шириной 0,1 м; полная длина балки - 1,70 м. Расчетный пролет между центрами опорных площадок задан I = 1,50 м. Материал балки -бетон класса В20. Балка армирована вблизи нижней грани двумя стальными арматурными стержнями 020 класса А 400. Поперечное армирование выполнено в виде вязаных двусрезных хомутов из обыкновенной арматурной проволоки диаметром 3 мм. От типовой конструкции образцы отличались наличием специальной зоны с отсутствием хомутов на значительной длине (300 мм) в окрестности сечений, отстоящих от опор на 1/4 часть расчетного пролета. На остальной длине расчетного пролета (вблизи опор и в окрестности центрального сечения) шаг хомутов равен 50 мм. Цель данного армирования - инициирование наклонных трещин в заранее известных сечениях.

Испытания проводились на прессе ПММ-250. Условия испытаний - нагружение производится сосредоточенной силой, приложенной в середине расчетного пролета балки-образца. В местах опор нагружения устанавливались специальные прокладки из картона, чтобы исключить излучение акустических импульсов в этих местах. Нагрузка на железобетонную балку задавалась равными ступенями через 9,81 кН (1 т) с временной выдержкой на каждой ступени (рис. 1).

Рис. 1. Режим нагружения балки

В качестве измерительной аппаратуры использовалась система тензометрического контроля СТКМ-ИС, регистрирующая изменение значений сопротивлений тензодатчиков, которые были наклеены на железобетонные балки, а также индикаторы часового типа ИЧ-10 с ценой деления 0,01 мм для контроля прогибов в середине балки. Всего на каждой балке было наклеено 40 тензорезисторов (по 10 тензорезисторов в каждом сечении). Во время испытаний визуально фиксировалось появление трещин, которые отмечались на балке маркером. На рис. 2 приведена схема балки и расположение тензодатчиков, акустоэмиссионных приемников, место появления видимой трещины.

Рис. 2. Схема балки-образца: 1-стоэмиссионный приемник; & -щина

10 - тензодатчики; 11 - аку-визуально наблюдаемая тре-

Была испытана серия из 5 балок. После статистической обработки полученных в результате испытаний данных были построены графики «нагрузка - относительная деформация» по каждому контролируемому направлению. Как видно из подобного графика, приведенного на рис. 3, некоторые тензодатчики ф8 и D10)

1909

появление трещин фиксируют раньше, чем это наблюдается визуально.

Г]

)c

(<r

tw

r D2 — D8 DIO

1 V

(

-О.ОООв 0.0000 О. ООО» 0.0010 0.001 в 0.0020

Рис. 3. Графики «нагрузка - относительная деформация», зафиксированные тензорезисторами D2, D8, D10 при испытании балки-образца

Можно видеть существенное различие в показаниях тензодатчиков. Так, часть датчиков ф2) практически не чувствуют трещину. То есть тензометрия может быть полезна для регистрации процесса формирования и развития трещины, только если приемник расположен в непосредственной близости к месту образующейся трещины.

Рассмотрим акустоэмисионные результаты и закономерности акустической эмиссии при деформировании балки.

Пьезоприемники для регистрации акустических импульсов крепились вдоль свободной лицевой стороны балки (рис. 4).

Как отмечалось выше, нагружение балки проводилось по трехточечной схеме ступенчатым способом.

а)

Time, s

б)

Time, s

в)

Рис. 4. Импульсы акустической эмиссии: а) в течение всего эксперимента; 2) на начальном участке; в) на стадии перед появлением трещины

Этот режим нагружения отразился на закономерностях акустической эмиссии. На рис. 4а приведена зависимость интенсивности акустической эмиссии в течение всего эксперимента.

Закономерность имеет ступенчатый характер. Интенсивность акустической эмиссии возрастает при нарастании нагрузки и спадает практически до нуля при поддержании нагрузки постоянной. Такое характерное изменение акустической эмиссии наблюдается до определенной стадии (до примерно 700 с см. рис. 1а). Затем акустическая эмиссия меняется качественно. Для более наглядного представления этот переходный участок представлен на рис. 4б и 4в в более растянутом по времени варианте.

Различие не только количественное, но и качественное. На начальном участке (рис. 4б), как уже отмечалось, нарастание интенсивности акустической эмиссии наблюдается только на стадии возрастания нагрузки, а при выдержке ее постоянной она резко спадает до нуля. На стадии перед появлением видимой трещины картина меняется (рис. 4в). При возрастании нагрузки интенсивность возрастает, но при выдержке ее постоянной она уменьшается, но спадает не до нуля. Причем это спадание качественно иное, чем в первом случае -скачкообразное, иногда интенсивность вновь нарастает. По-видимому, данное изменение интенсивности связано с тем, что при появлении макроскопических трещин последние могут развиваться и при постоянной нагрузке. Дальнейшее развитие разрушения и выделение акустической эмиссии обусловлены вытягиванием арматуры из бетона. Поэтому переход из первой стадии во вторую, что надежно регистрируется методом акустической эмиссии, можно рассматривать как потерю несущей способности балки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Журков С.Н., Куксенко В.С., Петров В. А. // Доклады Академии наук. 1981. Т. 259. № 6. С. 1350.

2. Бенин А.В. // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений: двухмесячный научно-практический журнал / ВНИИН-ТПИ. М., 2007. № 3. С. 16-19.

3. Куксенко B.C., Томилин Н.Г., Махмудов Х.Ф., Бенин А.В. // ЖТФ. 2007. Т. 33. № 2. С. 31-35.

4. Куксенко В.С., Махмудов Х.Ф., Мансуров В.А., Султонов У., Рустамова М.З. // ФТПРПИ. 2009. № 4. С. 55-59.

5. Куксенко В., Махмудов Х.Ф., Манжиков Б.Ц. Концентрационная модель разрушения твердых тел и прогнозирование катастрофических ситуаций крупномасштабных объектов // ФТПРПИ. 2010. Т. 4. С. 29-40.

6. Inspection and monitoring techniques for bridges and civil structures /

ed. by Gongkang FU. Cambridge. 2005. 270 р.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 11-05-00320-а).

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Makhmudov Kh.F., Kuksenko V.S., Tomilin N.G., Benin A.V. DIAGNOSIS OF BUCKLING LOADED REINFORCED CONCRETE BEAMS

Reinforced concrete beam length 1.7 m, cross-section 0.3x0.1 m were loaded by three-point bending scheme. Strain gauges recorded deformation, including local. Acoustic emission detected cracks. Loss of load beam reliably detected by qualitative and quantitative changes in acoustic emission.

Key words: deformation, bending; concrete; load cell; method of acoustic.

1910