МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО МЕХАНИЧЕСКОГО МЕТОДА Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 69.059.4:620.179

doi: 10.55287/22275398_2023_3_34

МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО МЕХАНИЧЕСКОГО МЕТОДА

А. А. Богомазов С. В. Стрельцов О. С. Толмачёва С. А. Донецкова

Шахтинский автодорожный институт (филиал) ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова, г. Шахты

Ключевые слова

прочность бетона, молоток Кашкарова, затраты труда, неразрушающий механический метод, статистическая оценка точности

Аннотация

Рассмотрена проблема определения прочности конструктивных элементов городского запасного пункта управления Шахтинского автодорожного института (ф) ЮРГПУ (НПИ) им. М. И. Платова. Для определения прочности в несущих конструкциях использовался неразрушающий метод контроля, а именно механический. В процессе исследования был применен эталонный молоток Кашкарова.

Было установлено, что при проведении большого числа испытаний затраты труда на проведение исследования будут незначительными. При анализе большого количества измерений методом неразрушающего контроля было установлено, что отличия значений от значений, полученных с помощью метода разрушающего контроля, незначительны. Получили апроксимированную функцию, описывающую с высокой долей вероятностью истинный предел прочности бетона на сжатие, что говорит о возможном применении в последующих исследованиях для рассматриваемого объекта. Следовательно, результаты, полученные с помощью первого метода можно считать достоверными с большой долей вероятности.

Кроме того, установлено, что несмотря на значительные затраты труда на первоначальном этапе, себестоимость проведения исследовательских работ в целом ниже по сравнению с аналогичными методами неразру-шающего контроля, поскольку применяются недорогое оборудование и материалы.

Дата поступления в редакцию

23.08.2023

Дата принятия к печати

25.08.2023

Введение

В связи с закрытием нерентабельных предприятий на длительный срок, большое количество зданий и сооружений оставались без обслуживания и подвергались жесткому атмосферному воздействию.

Оживление экономики сопровождается ростом промышленного производства и соответственно возникнет вопрос использования и перепрофилирования бывших в эксплуатации зданий и сооружений, это в свою очередь требует оценки надежности строительных конструкций.

В условиях дефицита финансирования большинства предприятий, проведение детальных исследований требует применения дорогостоящего оборудования и соответственно больших затрат. Объектом исследования является остаточная прочность несущих ограждающих бетонных конструкций городского запасного пункта управления (ГЗПУ) Шахтинского автодорожного института (ф) ЮРГПУ (НПИ) и возможность дальнейшей эксплуатации данного помещения.

В данном исследовании на стадии предварительной оценки, возможно применение более простых методов определения прочности конструктивных элементов. Рассмотрим один из них—метод неразру-шающего контроля при помощи эталонного молотка Кашкарова, который распространен в отечественных [1 - 5], а также в зарубежных исследованиях [6 - 10].

Модели и методы

Для оценки точности определения прочности бетона молотком Кашкарова выполнен ряд исследований, целью которых являлось определение несущей способности конструкций ГЗПУ, расположенного в подвальной части главного учебного корпуса Шахтинского автодорожного института (ф) ЮРГПУ(НПИ). Из-за отсутствия данных о прочности бетона и армировании плит перекрытий и других конструктивных элементов необходимо было определить прочность бетона с помощью неразруша-ющих методов контроля. Использование ультразвукового метода не удалось из-за герметичности помещений, а метод отрыва со скалыванием невозможен из-за толщины бетона. Поэтому был применен механический метод определения прочности бетона без разрушения изделия с помощью эталонного молотка НИИМосстроя конструкции К. П. Кашкарова.

Эталонным молотком наносят не менее десяти ударов по длине и площади конструкции. Во время испытания необходимо следить за тем, чтобы ось головки молотка была перпендикулярна поверхности испытуемой конструкции. После каждого удара эталонный стержень передвигают таким образом, чтобы расстояние между центрами соседних отпечатков было не менее 10 мм. Удары по поверхности испытуемой конструкции наносят так, чтобы расстояние между отпечатками не превышало 30 мм. Диаметр лунок на бетонной поверхности и в эталонном стержне измеряют с точностью до 0,1 мм.

Прочность бетона устанавливают по тарировочному графику, устанавливая тем самым значения Иск, которые справедливы для бетона с влажностью 2 - 6%. В случае повышенной влажности значение предела прочности бетона необходимо умножить на поправочный коэффициент влажности Кв, принимаемый при влажности 8% — 1,1 и при влажности 12% — 1,2 [11].

При большом числе испытываемых конструкций затраты труда на проведение исследований будут весьма значительными. Сокращение числа измерений на каждой конструкции, позволит существенно снизить их. Однако в этом случае возникает вопрос о достоверности исследований. Он может быть решен при статистической обработке результатов измерений, которая заключается в следующем: задается определенная точность измерений; проводится несколько измерений; с использованием методов статистики рассчитывается точность измерений, если она не превышает заданной, то измерения прекращают; если же требуемая точность не достигнута, то измерения продолжают пока результат не будет соответствовать заданному.

В качестве характеристики точности оценки и ширины доверительного интервала использован относительный показатель точности:

где Ах—значение абсолютной погрешности (отклонения); X — оценка для генеральной средней.

(1)

03

г

м О

-I

м

Э СО

а

со О

.0

с;

ш а н

и

ш

о

го <

О |_

О ш

>5

X >

а н и I

0

X X

1 .0

<и н

0

а н

и

к

1 К О н

и

0 и

1

а

0 н

1 О

2

Числовое значение показателей Ах и Е определяется расчётным путём с использованием результатов измерений и в соответствии с правилами прикладной статистики. Эти правила рекомендуют определять следующие статистические оценки.

Оценку для генеральной средней — выборочную среднюю, вычисляют как средние арифметическое по формуле:

(2)

где п — количество измерений; X ■ — искомая величина.

I

Выборочное среднеквадратическое отклонение ( п , определяется по формуле:

(3)

Формулу (3) для удобства вычисления целесообразно представить в следующем виде:

(4)

Используя указанные оценки, можно определить нижнюю X - Ах и верхнюю X + Ах границу двустороннего интервала при данной доверительной вероятности д^.

Значение абсолютной погрешности (отклонения) определяется по формуле:

где ^ — вероятный коэффициент, представляющий собой табулированную функцию. Определяется по формуле:

л/п

(6)

где (и) — распределение Стьюдента со степенями свободы.

Значение ^ , при сравнительно малом числе измерений определяется на основании распределения Стьюдента в зависимости от доверительной вероятности д^ и числа измерений (числа степеней свободы V = п - 1). Коэффициент ^ введён в расчёт для того, чтобы учесть то что при малом числе опытов п — вероятность появления значений отклонений X от истинного значения измеряемого параметра больше, чем при большем. В нашем случае принимаем

Результаты исследования и их анализ

Для определения прочности конструкций неразрушающим методом при помощи эталонного молотка Кашкарова были выбраны 18 ключевых точек измерений в различных помещениях

ГЗПУ Места испытаний устанавливались таким образом, чтобы максимально охватить наиболее напряженные конструкции.

В качестве эталона применялись прутки диаметром 10 мм, длиной 100 мм из стали Ст.3, на одном из концов стержни маркировались.

Исследования проводятся на ребрах и плите конструкций для определения наименьшего значения прочности. Для снижения трудоемкости и повышения точности проводится статистическая оценка результатов исследований, при которой молотком наносится по 5 ударов. Диаметр лунок измеряется в трех направлениях, а на стержнях — в прямом и обратном направлениях. Для каждой лунки в бетоне определяются три значения диаметра и для стержня — два, по которым

определяются средние значения диаметра лунок в бетоне (2) и на эталонном стержне (О э ).

0 °ср.б.

Затем определяются отношения-, для каждого из пяти значении и генеральные средние этих

■-'ср.э.

отношений (см. таблицу 1). После этого определялась дисперсия выборки, доверительный интервал, абсолютная погрешность и показатель точности. Если какое-либо из значений выходило за пределы доверительного интервала, то оно исключалось из выборки, а вместо него проводилось новое наблюдение.

Если все значения удовлетворяли доверительному интервалу, то оценивался показатель точности, при его значении менее 0,1 (10%) результат считался приемлемым, при значении более 0,1 дополнительно производились испытания по этой конструкции. Далее проводилась тарировка эталонных стержней, для этого из бетона с добавкой ускорителя твердения СаС1 — 3% от массы цемента были изготовлены кубы 100x100x100. Выдержка составляла от 7 до 21 дня. По боковым граням кубов, в соответствующий срок испытаний, наносилось шесть ударов, расчеты диаметров лунок выполнялись в том же порядке, что и для плит.

Проверка точности тарировочного графика и уравнения проводилась по фактической прочности бетонных кубов, которая определялась их раздавливанием на гидравлическом прессе ПГ-100 в соответствующие сроки твердения. Средние значения по испытаниям четырех кубов составили: 21,9; 27,5 и 34,8 МПа для 7; 14 и 21 суток твердения соответственно.

По соотношению диаметров лунок на бетоне и стали, (в таблицах генеральная средняя) определялась прочность бетона в конструкциях и образцах. Для повышения точности и упрощения определения прочности бетона кривая тарировочного графика апроксимировалась на ПЭВМ. В результате установлено, что график описывается функцией:

1

У -

(А+ВхУ

где А = 0,2714, В = 0,0146,

х — предел прочности бетона на сжатие, МПа. 1-0,27 у

Отсюда X —

0,015у

Таблицу 1 см. на следующей странице

03

г

м О

-I

м

Э СО

>5

X >

а Чо

5 * Ш 3

^ л ■а *

* н ш £

^ а и н

. и

СО в

■ 5 и I

со о

о

го <

о |_

О ш

н

и

0 и

1

а

0 н

1 О

2

Таблица 1

Результаты исследований ЖУРНАЛ ИСПЫТАНИЙ РАСЧЕТНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ

№ измерения V о И Доверительный интервал Я

Измерение № позиции 1 2 3 4 5 6 Генеральная средняя Среднеквадратиче< отклонение от до Абсолютная погрешность т с о н ч о т ь г £ з а к о С Прочность бетон МПа (расчетная

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

о, ~ (ср.б) 6,1 6,5 5,9 5,9 6,3

о , (ср.э) 1 5,2 5,3 5,0 5,0 5,2

(ср.б) V, _ (ср.э) 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,20 0,02 1,16 1,23 0,01 1,20 38,5

V, ~ (ср.б) 6,3 6,8 6,7 4,9 4,9 6,6

(ср.э) 2 5,6 5,0 5,2 4,3 4,2 4,9

(ср.б) (ср.э) 1,1 1,4 1,3 1,1 1,2 1,4 1,25 0,11 1,03 1,47 0,09 7,13 36,2

V, ~ (ср.б) 6,3 5,4 5,8 5,1 5,8

(ср.э) 3 4,9 4,2 4,4 4,6 4,5

(ср.б) (ср.э) 1,3 1,3 1,3 1,1 1,3 1,26 0,12 1,03 1,50 0,10 7,63 35,6

V, ~ (ср.б) 5,9 5,5 4,9 6,1 5,0

(ср.э) 4 5,0 4,6 4,1 4,8 4,2

V, ~ (ср.б) (ср.э) 1,2 1,2 1,2 1,3 1,2 1,22 0,05 1,11 1,32 0,04 3,52 37,6

V, ~ (ср.б) 6,0 5,9 5,1 6,1 6,1

(ср.э) 18 5,0 4,3 4,2 5,0 4,8

(ср.б) (ср.э) 1,2 1,4 1,2 1,2 1,3 1,27 0,10 1,07 1,48 0,08 0,07 35,1

Результаты испытаний приведены в таблицах 1 и 2, их анализ показывает, что приведенное выше уравнение хорошо описывает экспериментальные данные и практически совпадает с кривой тарировочного графика, поэтому может быть использовано при расчетах.

Таблица 2

Тарировка эталонных стержней

^ № измерения V о И Доверительный интервал я

Измерение 8 м о и & ни е р ер м н р РЗ 1 2 3 4 5 8 Я 3 £ § ре " Л X и Д <и § Я Н я Й щ рн £ ® <9 М 1! § £ от до 2 и £ ° 1 = 5 3 < в т и о н V о т А £ Й з й и о с № № О св тн ет хо <ц ^ у г» га ° э * ^ (Г <3 о С р с ^

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

(ср.б) 7,8 7,0 6,3 7,1 6,8

D, , (ср.э) 1 7 4,6 4,2 4,0 4,2 4,1

D, ,, (ср.б) (ср.э) 1,7 1,7 1,6 1,7 1,7 1,7 0,05 1,62 1,71 0,04 2,36 22,5

D, ,, (ср.б) 7,3 7,1 6,8 7,3 6,7

D, , (ср.э) 2 7 4,3 4,2 4,0 4,5 4,1

D, ,, (ср.б) (ср.э) 1,7 1,7 1,7 1,6 1,6 1,7 0,05 1,64 1,73 0,04 2,23 22,2

D, ,, (ср.б) 5,3 5,7 5,4 5,7 6,3

D, , (ср.э) 3 14 4,1 3,8 3,8 3,8 4,1

D, ,, (ср.б) (ср.э) 1,3 1,5 1,4 1,5 1,6 1,5 0,10 1,37 1,56 0,08 5,43 28,2

(ср.б) 6,3 6,1 6,5 6,1 6,1

D, , (ср.э) 6 21 5,0 4,7 4,9 4,7 4,8

D, ,, (ср.б) (ср.э) 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 0,02 1,28 1,32 0,02 1,24 34,2

Было установлено, что прочность бетона в плитах колеблется в пределах 33,1 - 38,4 МПа и соответствует классу бетона В 25 (М 300). Допустимое напряжение на сжатие для дальнейших расчетов составляет 13,5 МПа.

Выводы

1. Проведенные исследования показывают, что для предварительной оценки состояния конструктивных элементов зданий и сооружений, использование неразрушающего механического метода с применением эталонного молотка Кашкарова определения прочности бетона, в сочетании со статистической оценкой точности, обеспечивает достоверность испытаний при минимальных затратах труда.

03

г

м О

-I

м

Э СО

а

>5

X >

а н и I

0

X X

1

со

о и 5

■а с;

с; "

ш а н

и

со и со

о

го <

о

<и н

0 а н

и

к

1 К О н

и о и

I

а

0 н

1

: о <1 2

О ш

2. Полученная нами апроксимированная функция описывает с высокой долей вероятности истинный предел прочности бетона на сжатие и может быть применена в дальнейшем при последующих исследованиях для данного объекта.

3. Остаточный предел прочности несущих ограждающих бетонных конструкций городского запасного пункта управления (ГЗПУ), расположенного в подвальной части главного учебного корпуса Шахтинского автодорожного института (ф) ЮРГПУ(НПИ) соответствует расчетным, и данное помещение может эксплуатироваться в дальнейшем.

Библиографический список

1. Zhukov, D. V., Melnikov, A. A., Konovalov, S. V., & Dmitrieva, M. O. (2022). Reasons for formation of transverse cracks in longitudinal weld of a pipe of the main gas pipeline. Chernye Metally, 2022 (9), 34 - 38. doi:10.17580/ chm.2022.09.05.

2. Zavoychinskaya, E. B. (2022). General principles and criteria of failure of solids on different scale-structural levels under static and alternating loading. [Общие закономерности и критерии разрушения твердых тел на разных масштабно-структурных уровнях при длительном нагружении (обобщающая статья)] Industrial Laboratory.Materials Diagnostics, 88 (7), 48 - 62. doi:10.26896/1028-6861-2022-88-7-48-62.

3. Fedotov, M. Y., Budadin, O. N., & Kozelskaya, S. O. (2021). On the issue of improving the operational safety of industrial structures based on the results of nondestructive testing, 2021 (12), 65 - 71. doi:10.24000/0409-2961-2021-12-65-71.

4. Makhutov, N. A., Ivanov, V. I., & Musatov, V. V. (2018). Application of technical diagnostics for calculation of the probability of technical devices fracture and accident risk assessment. [Применение технической диагностики для расчета вероятности разрушения технических устройств и оценки риска аварии, 2018 (9), 53 - 64. doi:10.24000/0409-2961-2018-9-53-64.

5. Kuznetsov, A. M. (2019). On the directions of improvement of industrial safety expertise. [О направлениях совершенствования экспертизы промышленной безопасности], 2019 (4), 31 - 36. doi:10.24000/ 0409-2961-2019-4-31-36.

6. Yakubson, V. M., & Arkhipova, A. I. (2015). The conference "inspection of buildings and structures: Problems and solutions". Magazine of Civil Engineering, 58 (6), 4 - 7. doi:10.5862/MCE.58.1.

7. Kosior-Kazberuk, M., Krentowski, J. R., & Wardach, M. (2022). Diagnostics of the RC roofing structure of the 100-year-old municipal theatre facility. Materials, 15 (21) doi:10.3390/ma15217438.

8. Datta, S. D., Sobuz, M. H. R., Akid, A. S. M., & Islam, S. (2022). Influence of coarse aggregate size and content on the properties of recycled aggregate concrete using non-destructive testing methods. Journal of Building Engineering, 61 doi:10.1016/j.jobe.2022.105249.

9. Shang, G., & Chen, J. (2022). Classification of multistates of internal damage in concrete based on convolutional neural network analysis of time-frequency images. Journal of Performance of Constructed Facilities, 36 (6) doi:10.1061/(ASCE)CF.1943-5509.0001771.

10. Efaz, I., Yazdani, N., & Beneberu, E. (2022). Combined load test and NDE: Novel method to diagnose and load rate prestressed concrete girder bridges with serviceability issues. Journal of Bridge Engineering, 27 (10) doi:10.1061/(ASCE)BE.1943-5592.0001939.

11. СОКК—контроль прочности бетона в конструкциях—Книга Инженера — строителя (для начинающих инженеров) // Строй знания URL: http://stroiznania.ru/11-stroitelnyy-kontrol-tehnicheskiy-nadzor-na-obekte/11-8-shemy-operacionnogo-kontrolya-kachestva-sokk/sokk-kontrol-prochnosti-betona-v-konstrukciyah/ (дата обращения: 23.11.2022).

MONITORING OF THE CONDITION OF BUILDING STRUCTURES USING NON-DESTRUCTIVE MECHANICAL METHOD

A. A. Bogomazov S. V. Streltsov O. S. Tolmacheva S. A. Donetskova

Shakhty road Institute (branch) URGPU (NPI). M. I. Platov, Shakhty

Abstract

The problem of determining the strength of the structural elements of the urban emergency control point Shakhty road Institute (branch) URGPU (NPI). M.I. Platov. Non-destructive method of control, namely mechanical, was used to determine the strength in the load-bearing structures. In the process of the study a reference hammer Kashkarov was used.

It was found that with a large number of tests, the labor cost of the study would be negligible. When analyzing a large number of measurements by non-destructive testing method, it was found that the differences in values from the values obtained by the method of destructive testing are insignificant. An approximated function describing with a high degree of probability the true compressive strength limit of concrete has been obtained, which indicates its possible use in

future studies for the object in question. Consequently, the results obtained using the first method can be considered reliable with a high degree of probability.

Moreover, it has been established that in spite of significant labor costs at the initial stage, the cost of research work is generally lower in comparison with similar nondestructive control methods, since inexpensive equipment and materials are used.

The Keywords

concrete strength, Kashkarov hammer, labor costs, nondestructive mechanical method, statistical evaluation of accuracy

Date of receipt in edition

23.08.2023

Date of acceptance for printing

25.05.2023

Ссылка для цитирования:

А. А. Богомазов, С. В. Стрельцов, О. С. Толмачёва, С. А. Донецкова. Мониторинг состояния строительных конструкций здания с применением неразрушающего механического метода. — Системные технологии. — 2023. — № 3 (48). — С. 34 - 41.

и

Z н

Û -I м

D

CÛ

>s s J

X >

a

S * 10 3

^ Л

-0 ç

Ç «

Ш t

^ a и H

. и

cû g

■ s и I

со о

о

fO <

s о

H

и о и

I

s a

0

H

s

1

: о

< s

о

ш