В учебном пособии приведены методы и средства проведения экспериментальных исследований. Рассмотрены неразрушающие методы контроля испытания строительных конструкций. Описаны приемы обследования и испытания сооружений, а также их освидетельствования. В конце книги дано моделирование строительных конструкций с помощью электронных аналоговых и вычислительных машин. Для студентов вузов, обучающихся по специальности «Промышленное и гражданское строительство».

Введение

1. Методы и средства проведения инженерного эксперимента
1.1. Силовые воздействия
1.1.1. Создание статической нагрузки
1.1.2. Создание динамической нагрузки
1.1.3. Схемы и порядок загружения
1.2. Аппаратура и методы регистрации результатов статических испытаний
1.2.1. Основы метрологии
1.2.2. Измерение деформаций
1.2.3. Измерение перемещений
1.2.4. Геодезические методы
1.2.5. Контроль трещиностойкости
1.2.6. Установка и поверка приборов, мероприятия по технике безопасности
1.2.7. Основные правила записи и обработки результатов измерений
1.3. Аппаратура и методы регистрации результатов измерений при динамических испытаниях
1.3.1. Механические приборы
1.3.2. Электрические приборы
1.3.3. Обработка результатов испытаний
1.4. Методология экспериментальных исследований
1.4.1. Метрологическое обеспечение эксперимента
1.4.2. Общие положения планирования экспериментов
1.4.3. Некоторые сведения об обработке и анализе результатов

2. Неразрушающие методы контроля и испытаний строительных конструкций
2.1. Сравнительная оценка неразрушающего и разрушающего видов контроля и методы неразрушающего контроля
2.2. Склерометрические методы
2.3. Акустические методы
2.4. Радиационные методы
2.5. Магнитные методы
2.6. Методы капиллярной дефектоскопии
2.7. Прочие методы
2.8. Автоматизированные системы комплексного неразрушающего контроля

3. Обследование и длительные испытания конструкций, сооружений, оснований и фундаментов
3.1. Натурные обследования и длительные исследования сооружений
3.2. Обследования и испытания оснований и фундаментов
3.2.1. Измерение давлений и напряжений в грунтах
3.2.2. Измерение перемещений и фильтрации
3.2.3. Геофизические методы контроля оснований и горных пород
3.2.4. Комплексные контрольно-измерительные системы
3.3. Натурные динамические испытания
3.3.1. Задачи испытаний. Основные динамические характеристики конструкций и сооружений
3.3.2. Подготовка и проведение испытаний
3.3.3. Использование результатов испытаний при реконструкции
3.4. Освидетельствование сооружений
3.5. Основные причины аварий и мероприятия по усилению конструкций
3.5.1. Анализ причин аварий
3.5.2. Рекомендации по предупреждению аварий
3.5.3. Порядок рассмотрения причин аварий
3.5.4. Усиление строительных конструкций
3.6. Организация службы качества в строительстве

4. Моделирование строительных конструкций
4.1. Общие положения и классификация методов
4.2. Физическое моделирование
4.2.1. Основные положения
4.2.2. Сведения по теории подобия и размерностей
4.2.3. Специфика изготовления моделей
4.2.4. Проведение модельных исследований
4.3. Математическое моделирование
4.3.1. Общие положения
4.3.2. Математические модели прямой аналогии
4.3.3. Моделирование с помощью ЭВМ

Список рекомендуемой литературы

Введение

Обследование и испытание сооружений как самостоятельная отрасль науки сформировалась сравнительно недавно, хотя такие экспериментальные данные всегда использовались в строительной деятельности человека. В течение многих веков необходимость избегать аварий и разрушений диктовала выбор наиболее рациональных конструкций. Неудачные решения отбрасывались, сохранялись наиболее совершенные конструкции и сооружения, часто даже сейчас поражающие своей надежностью, инженерной целенаправленностью и смелостью (например, стрельчатые арки готических соборов, многоярусные римские акведуки и др.).

В настоящее время обследование и испытание сооружений являются отраслью строительной науки, направленной на выявление фактического состояния и работоспособности вновь возведенных и эксплуатирующихся объектов, определение действительной работы конструкций из новых и традиционных строительных материалов и для корректирования и разработки обоснованных методов расчета. Работы по обследованию, освидетельствованию и испытаниям проводятся с использованием современных методик и приборов, позволяющих максимально автоматизировать процесс.

В состав мероприятий, позволяющих выявить рабочее состояние конструкций и сооружений, входят освидетельствование, обследование и испытания.

Освидетельствование проводят при необходимости оценки состояния эксплуатируемых сооружений для прогноза их дальнейшей работы. При проведении освидетельствования используют методы неразрушающего контроля качества, основанные на различных физических эффектах (акустические, магнитные, радиационные и другие методы).

Обычно освидетельствование состоит из следующих этапов:

• предварительный осмотр объекта; ознакомление с технической документацией; детальный осмотр в натуре;
• обмеры; выявление и регистрация дефектов; контроль качества материалов, соединений, стыков; анализ результатов.

В процессе освидетельствования выявляют фактические размеры, физико-механические характеристики материалов, дефекты и отклонения от проекта. В результате освидетельствования после перерасчета принимают решение о возможности дальнейшей эксплуатации, необходимости усиления или о проведении испытаний. Освидетельствование чаще всего проводят при реконструкции сооружения.

Обследование представляет собой комплекс операций по выявлению реальной работы эксплуатируемых сооружений при длительных воздействиях постоянной и временной нагрузок и окружающей среды. В понятие реальной работы входят фактические нагрузки и другие воздействия (агрессивные, температурные и др.), реальные параметры групп предельных состояний (деформативности, трещиностойкости), воздействие сооружения на основание. Результаты обследования служат для уточнения методов расчета сооружений.

Испытания заключаются в изучении реальной работы конструкций и сооружений при статической или динамической нагрузках. В зависимости от цели испытания делятся на приемочные, эксплуатируемых объектов, серийно изготовляемых конструкций и научно-исследовательские. Последние могут быть модельными или натурными. При проектировании сложных для расчета уникальных объектов (пространственные большепролетные покрытия, плотины ГЭС и др.) испытания на моделях позволяют с достаточной точностью определить их реальную прочность, деформативность и трещиностойкость. Испытания могут проводиться вплоть до наступления предельных состояний I группы (до разрушения) или II группы (без разрушения). При их проведении большое внимание должно уделяться правилам техники безопасности, а также охране окружающей среды; при разрушении конструкций их составляющие необходимо утилизировать — дробленый бетон использовать в качестве крупного заполнителя, а сталь — отправлять на переплавку. Испытания до разрушения следует проводить только в исключительных случаях, когда неразрушающий контроль и испытания без разрушения не позволяют сделать нужные выводы; нужно чаще использовать испытания на моделях.

Необходимость проведения испытаний обусловлена рядом причин:

• условностью расчетных схем и их неполным соответствием реальной работе сооружений (например, неучет совместного деформирования оснований, фундаментов и зданий; неучет неупругой работы железобетона при расчете зданий и сооружений, фактической жесткости узлов и др.);
• вероятностным характером физико-механических свойств стройматериалов, нагрузок и других воздействий, геометрических размеров и изменением отдельных характеристик во времени;
• необходимостью проверки реальной работы конструкций из новых материалов, конструкций при новых воздействиях, сооружений новой формы.

Перед началом испытаний составляют их программу, выбирают элементы для испытаний. Затем выбирают схемы загружения, виды нагрузки, режим для статических испытаний и нагрузочные устройства и режим — для динамических. Назначают приборы и методы измерений, составляют планы размещения приборов, определяют мероприятия по технике безопасности.

После окончания обследований и испытаний обрабатываются их результаты, даются оценка и анализ, делаются выводы и предложения по реконструкции.

Экономическая эффективность обследований и испытаний сооружений определяется следующими факторами: повышением надежности, долговечности и бездефектной сдачей в эксплуатацию; сокращением разрушений изделий при внедрении неразрушающего контроля; снижением расхода материалов при заданном уровне качества, своевременным проведением ремонтно-восстановительных работ; внедрением новых методов расчета, новых материалов и конструкций.

Начало развития учения о работе сооружений связано с общим развитием производства. Впервые некоторые вопросы строительной механики нашли освещение в работах Леонардо да Винчи (1452—1519 гг.). Основателем науки о сопротивлении материалов был Галилео Галилей (1564—1642 гг.). Ученые XVII—XVIII вв., занимавшиеся вопросами прочности (Я. Мариотт, Я. Бернулли, Л. Эйлер, Ш. Кулон и др.), исследовали прочность конструкций только в момент разрушения, не интересуясь промежуточными стадиями их работы.

В 1732 г. французский ученый Данизи установил, что при разрушении арка делится на четыре части. Р. Реомюр (1683—1757 гг.) впервые построил машину для испытания металлов. Профессор Лондонского университета П. Мушинбрук (1692—1761 гг.) создал первую, достаточно совершенную рычажную испытательную машину. Первые убедительные опыты, которые подтвердили наличие сжимающих напряжений в изгибаемых элементах, без применения точных измерительных приборов поставил французский ученый П. Дюгамель (1700—1782 гг.) в 1767 г. В теоретическом отношении важную роль имели работы Л. Навье (1785— 1836 гг.), который рассматривал работу сооружений под эксплуатационной нагрузкой и предложил методы расчета конструкций в их рабочем состоянии по допускаемым напряжениям. Благодаря этому к 70 годам XIX века строительная наука начала опережать практику.

Велика роль в развитии испытаний сооружений отечественных и советских ученых и инженеров. М.В. Ломоносов (1711—1765 гг.) сконструировал прибор для определения прочности материалов методом истирания. Блестящим примером испытания сооружений явилось испытание модели деревянного арочного моста, выполненное в России механиком-самоучкой Н.П. Кулибиным (1735—1818 гг.), в процессе которого были проверены основные предпосылки проекта. Исследование модели деревянной фермы оригинальным методом было выполнено русским инженером Д.И. Журавским (1821—1891 гг.). Вертикальные элементы были изготовлены из тонкой проволоки одного диаметра и усилия в них после загружения модели оценены с помощью смычка по тону звучания. При этом получило подтверждение предположение, что для раскосной однопролетной фермы усилия в вертикальных элементах, работающих на растяжение, уменьшаются от опор к пролету.

С начала XIX века стали проводиться испытания натурных конструкций. В 1831 г. железочугунные конструкции театра в Петербурге (ныне театр им. Пушкина) испытывались на заводе. В 1842 году была установлена горизонтальная разрывная машина на Александровском заводе в Петербурге. В 1853 году П.И. Собко организовал механическую лабораторию в Петербурге при институте путей сообщения. В дальнейшем ею руководил проф. Белелюбский Н.А. (1845—1922 гг.). В 1900 году была создана лаборатория в нынешнем ЛИСИ.

Испытания железобетонных конструкций в России впервые были осуществлены в 1886 г. на московских бойнях. Применению железобетона в России содействовали также обширные публичные опыты, проведенные в 1891 г. в Петербурге под руководством Н. А. Белелюбского. В 1900 году в Тбилиси И.С. Покровский провел испытания железобетонных резервуаров. 

Большую роль в формировании науки об обследовании и испытании сооружений сыграли работы академиков А.Н. Крылова, H.Н. Давыденко, А.Ф. Иоффе, Е.О. Патона, профессоров Н.С. Стрелецкого, И.М. Рабиновича, Ю.А. Нилендера, H.Н. Аистова, H.Н. Безухова, E.Е. Гибшмана и др. Отечественными учеными разработаны теоретические вопросы науки и методики, созданы конструкции современных приборов для обследований и испытаний, в которых использованы многочисленные физические явления и эффекты. В настоящее время исследования в этой области науки ведутся более чем в 100 научно-исследовательских институтах, в строительных вузах. Ряд заводов серийно выпускает эффективные приборы и комплексы для проведения обследования и испытания сооружений.

Будущие обследования и испытания сооружений связаны с массовым сплошным контролем качества неразрушающими методами, с полной автоматизацией процессов обследования и испытания и обработкой их результатов на ЭВМ.

Целью изучения курса «Обследование и испытание сооружений» является подготовка инженера-строителя, умеющего определить действительное состояние конструкций и сооружений при эксплуатации, проводить испытания в натурных условиях и на моделях, оценивать качество конструкций и соединений неразрушающими методами, делать правильные выводы на основе освидетельствования и обработки результатов испытаний о возможности дальнейшей эксплуатации сооружений или необходимости их усиления. Особое значение эти знания приобретают в современных условиях, когда существенно возросли объемы реконструкции эксплуатирующихся сооружений.

Инженер-строитель должен уметь правильно выбрать методы неразрушающего контроля, вид загрузки, нагрузки при испытаниях, типы и размещение приборов, обработать результаты с использованием вычислительной техники и оценить их с точки зрения прогноза эксплуатации сооружения. Он должен знать физические методы контроля качества оснований и фундаментов, являющихся наиболее ответственными частями сооружений.

Книга написана в соответствии с программой дисциплины «Обследование и испытание сооружений», утвержденной Минвузом СССР в 1985 г.

Главы 1 (кроме параграфа 1.4), 2 и 3 (кроме параграфов 3.4, 3.6) написаны А.Н. Тетиором, а параграфы 1.4, 3.4, 3.6 и глава 4 — В.Н. Померанцем, введение написано совместно.