Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Общие положения

Особенности натурных испытаний

Программа натурных испытаний

Выбор объекта испытания

Способы силовозбуждения

Техника безопасности при натурных испытаниях

Проведение натурных испытаний

Примеры осуществления натурных наблюдений

Список литературы

Общие положения. Периодическое наблюдение за состоянием технологического процесса и строительных конструкций является традиционным для массовых зданий и сооружений различного назначения. Конкретизация предмета наблюдения, периодичности контрольных процедур, их оснащения, документального оформления результатов регламентируются соответствующими отраслевыми и ведомственными инструкциями и стандартами предприятия. Некоторые особенности проведения таких работ при технической эксплуатации приведены в гл.9 настоящего справочника. Их общей целью является поддержание конструкций в работоспособном состоянии на весь срок службы объекта. Непосредственное исполнение наблюдений возлагается на специальные подразделения службы эксплуатации предприятия.

Здесь же рассматриваются уникальные объекты строительства, отличающиеся необычностью конструктивной формы, размерами, массой и другими особенностями, для которых роль длительного инструментального наблюдения существенно повышается и оно может стать единственно возможным средством объективной оценки степени соответствия сооружения своему эксплуатационному назначению, справедливости расчетных предпосылок, конструктивной их реализации, а также прогнозирования надежности на будущее, В наибольшей мере это актуально для особо ответственных объектов с ограниченным ресурсом усталостной прочности или объектов, аварийное разрушение которых чревато особо тяжелыми последствиями. Во всех подобных случаях планирование, обоснование и проведение длительных натурных наблюдений должно выполняться привлеченными специализированными организациями, имеющими соответствующие лицензии, при обязательном участии разработчиков проекта сооружения, специалистов по обследованию и работников служб эксплуатации. натурный лазерный сооружение

Особенности натурных испытаний. Натурные испытания зданий, сооружений, их фрагментов и элементов, прослуживших значительный срок, является, как уже отмечено ранее, крайне громоздкой, длительной и дорогостоящей процедурой и поэтому предпринимаются в исключительных случаях. Здесь не рассматриваются особенности испытаний новых, завершенных строительством зданий и сооружений перед сдачей их в эксплуатацию, для которых СНиП-ами предусмотрена обязательность проведения таких испытаний, а детальная их регламентация осуществляется совокупностью действующих государственных, отраслевых и ведомственных стандартов, норм, инструкций и указаний.

Непосредственной причиной проведения натурных испытаний может явиться одна или несколько из нижеследующих:

- большая продолжительность эксплуатации;

- значительное количество обнаруженных при выборочном обследовании дефектов, повреждений и отступлений от проекта;

- технологические затруднения эксплуатации вследствие вибраций, прогибов, неравномерных осадок, износа;

- достижение критического уровня уменьшения несущей способности элементов за счет коррозии, изменения механических свойств металла, угрозы коррозионного охрупчивания, усталости, насыщения водородом и др.;

- необходимость проведения модернизации, реконструкции, ремонта и усиления объекта по технологическим причинам, вследствие планируемого увеличения нагрузок или ужесточения условий эксплуатации и т.п. В отличие от ранее рассмотренных стендовых испытаний на статические и динамические нагрузки, формулирование цели и задач натурного испытания и строгое обоснование целесообразности и необходимости его проведения возможно лишь после весьма трудоемкого исследования, включающего в первую очередь:

- сравнение выполненных по результатам выборочного обследования расчетов здания (или сооружения) и его элементов с расчетами, осуществленными на стадии проектирования объекта испытания, а также сопоставление соответствующих нормативных баз (требования к стали, методика расчета, величины и сочетания нагрузок и т.д.) с установлением наиболее важных расхождений и их предполагаемого влияния на надежность испытываемой конструкции;

- анализ полноты и качества проектной документации (чертежи КМ, КМД, АР), представленной при приемке объекта в эксплуатацию, документации, выполненной в последующие годы при ремонтах, заменах и усилении конструкций, а также вызванных изменениями технологического процесса, оборудования и соответствующих им воздействий и нагрузок, с указанием основных отличий от реального состояния, зафиксированного по результатам обследования, и влияния этих отличий на работу элементов и сооружения в целом;

- изучение документально подтвержденных изменений условий функционирования метеорологического и сейсмологического характера, степени агрессивности среды, относительной влажности, уровня грунтовых вод и т.п. фактов технологического характера, а также оценка этих изменений применительно к особенностям конструкций, подлежащих натурному испытанию.

В заключение этого исследования должен быть сделан вывод о достаточной представительности результатов выборочного инструментального обследования и выполненного на его основе расчета для оценки общего состояния объекта испытания, В противном случае испытаниям должно предшествовать сплошное освидетельствование всех конструкций, элементов и узлов, а не только случайно выбранных по законам статистической представительности, как это в большинстве случаев делается.

Заключение должно также содержать перечень вопросов, которые не нашли решения при выполнении данного анализа, но могут быть решены при проведении натурного испытания.

Программа натурных испытаний. Программа натурного испытания должна включать в себя все перечисленные выше документально оформленные аналитические действия, чертежи, акты, протоколы и другие материалы, характеризующие историю возникновения самой причины натурного испытания.

Основной целью проведения натурных испытаний является оценка и прогнозирование надежности и долговечности зданий и сооружений. При этом для конкретного объекта должны быть четко сформулированы задачи, которые должны решаться в процессе испытания. Например, определение прогибов стропильной фермы при воздействии нормативной нагрузки или оценка степени защемления колонн в фундаментах и т.п. Лишь в подобной постановке полученные экспериментальные данные после закладки в алгоритм расчета могут дать возможность прогнозировать поведение конструкции при расчетной или даже предельной нагрузке. Это обстоятельство существенно, имея в виду одну из особенностей натурных испытаний - невозможность доведения объекта до разрушения.

Выбор объекта испытания. При выборе фрагментов сооружения или его элементов для проведения натурных испытаний принимается во внимание: место, занимаемое конструкцией в обеспечении безопасного функционирования сооружения в целом; уровень его загружения эксплуатационными или имитирующими их воздействиями; наличие в конструкции наибольшего количества дефектов, повреждений и иных отступлений от проекта.

Учитывают также возможности свободного доступа к зонам размещения измерительной аппаратуры и силовозбуждающих агрегатов, обеспеченность подстраховочными устройствами, удобство проведения визуальных и оптических наблюдений, наибольшую безопасность для персонала предприятия и участников испытаний и т.п.

Выбор измеряемых параметров и средств их измерения обычно близок к используемым при стендовых статических и динамических испытаниях. Тем не менее необходимо иметь в виду, что условия работы приборов при проведении натурных испытаний несравнимо сложнее, чем в лабораторных: выше уровень помех, большая вероятность повреждений приборов, более трудоемки процессы установки приборного оснащения и снятия отсчетов по ним. По этой причине следует особое внимание уделить обеспечению стабильности и помехозащищенности показаний приборов, предохраняя их от климатических и технологических перепадов температур, агрессивных воздействий, повышенной влажности, грозовых разрядов и т.д.

Способы силовозбуждения. Натурные испытания могут осуществляться без приложения дополнительных воздействий с использованием лишь имеющихся в здании или сооружении эксплуатационных нагрузок. Таким примером могут служить испытание подкрановых балок и тормозных конструкций в зданиях, оснащенных кранами, или резервуарных конструкций, заполняемых продуктом, для хранения которых они и предназначены.

Более распространенным методом натурных испытаний являются испытания, при которых, кроме эксплуатационных используются дополнительные, искусственно создаваемые нагрузки путем загружения различными грузами, натяжения тяговыми устройствами к смежным конструкциям, якорям, фундаментам, использования специальных вибровозбудителей. Так, например, подвеска тарированной нагрузки к фермам покрытия позволяет имитировать снеговую нагрузку; за счет натяжения тяговых систем воспроизводят подобие воздействия ветровых, сейсмических и ударных нагрузок на сооружение. В любой из этих разновидностей воздействий должен быть обеспечен строгий постоянный контроль величины испытательной нагрузки и их совокупности.

Для этой цели периодически контролируют неизменность веса испытательных грузов, при помощи встроенных динамометров и калиброванных вставок обеспечивают заданное значение натяжения тросов, при использовании мостовых кранов в буксы колес встраиваются специальные контрольные динамометры. При создании дополнительных нагрузок во время проведения натурных испытаний непременным условием является непревышение суммарным уровнем нагружения нормативных или эквивалентных им значений, определенных по нормам или по фактическим механическим свойствам металла.

Таким образом, природа натурных испытаний исключает возможность прямого изучения области упругопластического и тем более пластического деформирования, крайне важных для корректной оценки имеющихся и предполагаемых резервов несущей способности и характерных параметров предельного состояния, диктуя поиск других искусственных путей, некоторые из которых рассматриваются ниже.

Техника безопасности при натурных испытаниях. Специальным разделом программы испытаний должны быть предусмотрены меры безопасности, включающие:

- инструкцию по проведению испытаний с четким разделением обязанностей и ответственности между членами коллектива испытателей;

- схему испытательного участка с размещением всех измерительных, регистрирующих и силовозбуждающих систем, опасных зон и т.п.;

- страхующие устройства (временные опоры, стойки, ограничители перемещений, оттяжки и др.), исключающие возможность обрушения конструкций, падение грузов, превышение установленных значений суммарных нагрузок;

- устройства мгновенного аварийного сброса нагрузки;

- ограждение участка под испытываемой конструкцией, исключающее допуск людей в эту зону на все время испытаний.

Целям предупреждения опасного развития событий служит обязательная экс- пресс-обработка и контроль безопасных значений измеряемых величин и характерных параметров реакции испытываемой конструкции и оперативное сопоставление данных измерения с теоретическими их значениями на каждом этапе испытаний.

Установка на конструкцию элементов силовозбуждения и измерительных приборов должна осуществляться с подмостей, лесов, стремянок и лестниц, на конструкцию также навешивают страховочные тросы и веревки.

Перед началом работ на высоте каждый участник должен пройти инструктаж с соответствующим занесением в журнал по технике безопасности, получить каску, монтажный пояс, переговорное устройство и другое необходимое оснащение.

Размещение персонала, регистрирующей и обрабатывающей аппаратуры должно обеспечиваться вне зоны возможного обрушения конструкции.

В случае проведения испытаний на действующем объекте без остановки технологического процесса, для исключения взаимных помех график испытаний должен быть согласован со службой эксплуатации предприятия.

Проведение натурных испытаний. После установки, сборки и подключения к источникам питания измерительных приборов и установок силовозбуждения осуществляется проверка работоспособности испытательной системы небольшим ее нагружением. Это позволяет выявить влияние колебаний суточной температуры и других конструктивных и технологических факторов на дрейф нулевого отсчета, выявить и ликвидировать неисправности, установить параметры значений, принимаемые впредь за начало отсчета. Особенностью натурных испытаний является, как правило, большая длительность каждого из этапов нагружения и разгрузки, что иногда требует круглосуточного режима наблюдений с соответствующим формированием бригад испытателей.

При первом нагружении, предусмотренном программой натурных испытаний и осуществляемом в 3-5 последовательных этапов, предусматривают достижение нагрузки, эквивалентной нормативной нагрузке. При необходимости продолжения загрузки решение о возможности доведения нагрузки до соответствующей расчетной или даже ее превышения может быть принято только после обработки и анализа результатов отсчетов по приборам на предыдущих этапах. Экспресс-обработка с вычислением «первых разностей», построением эпюр прогибов, графиков нагрузка-прогиб и др. данных должна осуществляться после каждого этапа, а результаты сопоставляться с данными теоретического расчета.

Наиболее эффективно экспресс-анализ реализуется с использованием ПК со специальной программой обработки.

Разгрузка объекта испытания ведется этапами также с поэтапной обработкой и анализом результатов измерений.

Наиболее ответственный момент испытания - подведение его итогов. Руководитель испытания принимает решение после изучения всей совокупности показаний регистрирующей и обрабатывающей аппаратуры, графической их интерпретации и сопоставления этих документов с данными теоретических расчетов. Реально возможны следующие варианты вывода:

1. Поставленные программой задачи выполнены полностью, полученные результаты согласуются с теоретической моделью.

2. Поставленную программой задачу, как показали результаты натурного испытания, в данных условиях выполнить невозможно и испытания необходимо прекратить.

3. Предусмотренная программой задача может быть успешно решена при условии повышения точности измерений или изменения расположения точек замера и размещения систем силовозбуждения.

В последнем случае измерительные и силовозбуждающие системы не демонтируются до принятия окончательного решения заказчиком.

В особых случаях отдельные элементы измерительной системы могут быть сохранены на конструкции для проведения длительных наблюдений. Это могут быть стационарные столики для установки нивелиров и теодолитов или стереофотокамер, измерительные рейки, марки, контрольно-сигнальное устройство и др. Целесообразность длительных наблюдений определяется службой эксплуатации заказчика.

Примеры осуществления натурных наблюдений. Опыт многолетних инструментальных наблюдений за поведением висячих трубопроводных переходов с уникальными по величине пролетами как, например, для газопровода у г. Келиф через р. Амударью (пролет 660 м) и аммиакопровода Тольятти - Одесса через р. Днепр (пролет 720 м) подтвердил особую эффективность инструментального наблюдения и анализа работы крупногабаритных сооружений. При этом проводились измерения:

- фактических перемещений несущих элементов конструкций в вертикальной и горизонтальной плоскости под действием натурных нагрузок, что позволило контролировать истинную жесткость и деформативность элементов и сооружения в целом;

- усилий и напряжений в наиболее ответственных узлах и элементах;

- параметров динамических воздействий и оценка поведения сооружения с точки зрения прочности, а также физиологического и психологического влияния на эксплуатационный персонал, обслуживающий переходы.

Для наблюдения за функционированием крупнопролетных переходов использовались как традиционные геодезические средства, так и специально разработанный институтом «Днепрпроектстальконструкция» комплекс приборного оснащения. В составе комплекса были задействованы индуктивные прогибомеры, чувствительным элементом которых являлся индуктивный преобразователь соленоидного типа. Принцип его действия основан на изменении индуктивного сопротивления обмоток при перемещении внутри катушки сердечника из ферромагнитного материала. Связь между объектом и сердечником осуществляется с помощью стальной нити, натягиваемой грузом или пружиной. С помощью отводных роликов измеряются горизонтальные перемещения. Пределы измерений прибора составляют 0,5-^500 мм по амплитуде и 0-^5 Гц по частоте. Разработан был также реохордный датчик больших перемещений, который обеспечивает измерение квазистатических перемещений и параметров колебаний амплитудой до 1000 мм. Датчик состоит из реохордного резисторного преобразователя угловых перемещений и набора шкивов. Выходным сигналом датчика является напряжение постоянного тока, пропорциональное углу поворота шкива, соединенного с осью преобразователя. Система питания преобразователя от источника тока позволила устанавливать датчик на значительном (до 1000 м) расстоянии от регистрирующей аппаратуры.

Рис. 1. Устройство для одновременной записи перемещений в двух плоскостях 1 - объект измерения; 2 - блок; 3 - измерительный преобразователь; 4 - рама; 5 - трос; 6 - пружина; 7 - неподвижная точка

Для изучения поведения сооружения в естественном ветровом потоке использовался лазерный измеритель перемещений. С его помощью в течение длительного времени регистрировались величины квазистатических перемещений и амплитуды колебаний пролетного строения. Основными элементами прибора являются лазерный визир с мощностью квантового генератора не менее 5 мВт и фотоприемное устройство (рис.2). Визир позволяет создавать лазерный луч мощностью, достаточной для засвечивания чувствительного слоя фотоприемного устройства при расстоянии между ними до 1000 м и при средней интенсивности дневного света.

Была задействована также специально созданная трособлочная и реперная система с измерительными преобразователями, состоящая из жесткой рамы с пружинами и преобразователями в виде датчиков угловых перемещений, расположенными на осях блоков (рис. 1), установленных на раме. При движении сооружения в горизонтальной плоскости происходят одинаковые по величине и направлению повороты блоков. При движении объекта наблюдения в вертикальной плоскости блоки вращаются в разных направлениях с одинаковыми углами поворота. Датчики, укрепленные на осях блоков, измеряют их углы поворота. Специальная схема включения преобразователей датчиков обеспечивает автоматическую раздельную регистрацию горизонтальных, вертикальных и крутильных колебаний. В качестве регистрирующего прибора использовался магни- то-электрический осциллограф, снабженный блоком балансировки и калибровки входных сигналов.

Рис. 2. Лазерный измеритель перемещений 1 - лазерный визир; 2 - фотоприемное устройство; 3 - оптическая ось (лазерный луч); 4 - линза; 5 - маска; 6 - чувствительный элемент; 7 - измерительно-калибровочный блок; 8 - регистрирующее устройство.

Подобно упомянутым горизонтально протяженным сооружениям немало сложных проблем возникает при расчете, приемке в эксплуатацию и при проведении натурных наблюдений за развитыми по вертикали объектами (радиотелескопы, антенны, мачты, башни, опоры ЛЭП, высокие монументальные сооружения). Особые затруднения появляются, когда имеет место сочетание таких параметров как большая высота при малой опорной базе, сложная конфигурация, значительные размеры выступающих деталей и т.п. Эти особенности, трудно учитываемые теоретическим расчетом, могут явиться причиной аэродинамической неустойчивости и опасного развития пульсационных и вихревых воздействий. Из практики строительства известно, что подобные явления могут происходить даже при небольших скоростях ветра (10-15 м/сек) за счет возбуждения резонансных колебаний и привести к усталостным повреждениям и даже к разрушению сооружения или его фрагментов.

Заслуживающим внимания примером организации и проведения натурных наблюдений за состоянием высотного сооружения может считаться главный монумент памятника Победы на Поклонной горе в Москве, принятый в эксплуатацию 9 мая 1995 г. Главный монумент представляет собой трехгранный штык высотой 141,8 м, увенчанный фигурой богини победы Ники с амурами массой 15 т, расположенной на отм. ] 10,5-И 23 м. Каркас монумента вместе со скульптурой, фахверком и панелями облицовки из нержавеющей стали, бронзы и медных листов имеет общую массу, превышающую 1000 т (рис. 3).

Рис.3. Главный монумент памятника Победы на Поклонной горе в Москве

Стилобатная часть состоит из технических и вспомогательных помещений; в подземном коллекторе размещены инженерные коммуникации, обеспечивающие жизнедеятельность монумента. Как установлено расчетом и подтверждено продувкой макета и фрагментов монумента в аэродинамической трубе, мемориальное сооружение весьма чувствительно к пульсаци- онному воздействию ветра из-за больших периодов собственных колебаний с амплитудой, достигающей 2 м.

Исключительная историческая значимость монумента, особенности его архитектурной формы и специфика взаимодействия с ветровым потоком обусловили поиск новых нетрадиционных решений несущего каркаса, облицовки, фундаментов, выбор материала и методов соединений, достаточность и обоснованность которых может быть выявлена лишь в процессе функционирования сооружения. Комплексом длительных натурных наблюдений, разработанным для этой цели, предусматривается периодическое освидетельствование состояния сооружения, его элементов и узлов, уточнение метеорологических воздействий с учетом рельефа местности и формы сооружения, измерение напряженно-деформированного состояния наиболее нагруженных элементов, фрагментов и узлов, контроль за эффективностью работы гасителей колебаний и др. Так, в действующей на конец 1998 г. системе оперативного контроля за состоянием монумента осуществляется:

- контроль скорости и направления ветра с использованием индикаторов скорости, расположенных по трем граням штыка на отм. 124 м с выводом данных на компьютер «Ветер»;

- контроль температуры и влажности воздуха при помощи датчиков, установленных на отм. 111 м в зоне гасителя колебаний ДГК-10; данные поступают на цифровой измеритель-индикатор температуры и влажности, располагающийся в аппаратной;

- контроль за отклонениями сооружения от вертикали и его колебаниями осуществляется при помощи датчиков вертикали, формирующих полный телевизионный сигнал; одновременно осуществляется и контроль осадок основания при помощи гидронивелиров. Информация о статических и динамических отклонениях от вертикали накапливается в архиве компьютера «Вертикаль» (на отметке 140 м размещены точечные источники света - инфракрасные прожекторы на специальной штанге);

- контроль за работой динамических гасителей колебаний:

- на отм. 117 м (Ника) датчиками перемещений гасителя ДГК-3 с потенциометром и кулисным приводом;

- на отм. 111м датчиками перемещений штоков гасителя ДГК-10 с потенциометрами и кулисными приводами; предусмотрена возможность одновременного контроля трех датчиков без выхода на компьютер;

- контроль акустической эмиссии. Датчики АЭ с предусилителями установлены в 3-х точках по углам сечения несущего каркаса на десяти ярусах между отметками 16^-135 м с передачей сигналов в аппаратную на комплект аппаратуры «Локан» с возможностью хранения, последующей обработки и анализа полученных данных.

Помимо изложенного выше инструментального инспектирования, осуществляется также профилактическое освидетельствование состояния силового каркаса, фахверка, панелей и плит облицовки. В соответствии с установленным регламентом визуальному осмотру подвергаются болтовые и сварные соединения, проверяется количество болтов, гаек, плотность их затяжки, состояние прокладок, опорных столиков, целостность стрингеров и шпангоутов панелей, контролируется состояние бронзовых облицовочных панелей для выявления возможного возникновения трещин в теле панелей и по контуру отверстий и т.д. Успешное функционирование этого уникального сооружения и системы натурного наблюдения за его состоянием дает основание судить о достаточной надежности работы монумента на заданный срок жизни.

Список литературы

1. Александров А.Я., Ахметзянов М.Х. Поляризационно-оптические методы механики деформированного тела. М., 1973.

2. Аронов Р.И. Испытание сооружений. М., Высшая школа, 1974.

3. Бруевич П.Н. Фотограмметрия. М., Недра, 1990.

4. Веников В.А. Теория подобия и моделирования. М., 1976.

5. Вуллерт Р. Области применения ударных испытаний с осциллографированием. Ударные испытания металлов. М., Мир, 1973.

6. Горев В.В. Математическое моделирование в системах автоматизированного проектирования объектов строительства. Учебн.пособие. Воронеж, ВПИ, 1989.

7. Грешников В.А., Дробот Ю.Б. Акустическая эмиссия. М., Издательство стандартов, 1976.

8. Злочевский А.Б. Экспериментальные методы в строительной механике. М., Стройиздат, 1983.

9. Злочевский А.Б. Методика измерения элекгротензометрическим способом упругопласти- ческой деформации в зоне с высоким градиентом напряжений. Заводская лаборатория, 1968, №5.

10. Злочевский А. Б. Применение специальных фольговых тензисторов для оценки прочности и надежности конструкций. ГОСНИТИ, 1971, № 1/4-74.

11. Казакевич М.И., Шульман З.А. и др. Инструментальные наблюдения за работой вантовых трубопроводных мостов больших пролетов. М., Сборник трудов ЦНИИПСК, 1986.

12. Керонян К.К. Электрическое моделирование в строительной механике. М., Стройиздат, 1963.

13. Крылов И.А., Глуховский К.А. Испытание конструкций сооружений. Л., Издлитературы по строительству, 1970.

Размещено на Allbest.ru