Оцінка міцності кладки та її однорідності у будівельних конструкціях імпульсними методами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство регіонального розвитку та будівництва України

Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій

УДК 620.179.1.001.5:624.012.2

05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ОЦІНКА МІЦНОСТІ КЛАДКИ ТА ЇЇ ОДНОРІДНОСТІ

У БУДІВЕЛЬНИХ КОНСТРУКЦІЯХ ІМПУЛЬСНИМИ МЕТОДАМИ

Глуховський Віталій Павлович

Київ - 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Державному науково-дослідному інституті будівельних конструкцій Міністерства регіонального розвитку та будівництва України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Калюх Юрій Іванович, Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій, головний науковий співробітник відділу автоматизації досліджень та сейсмостійкості будівель та споруд.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Шейніч Леонід Олександрович, Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій, завідувач відділу технології виготовлення залізобетонних конструкцій;

- кандидат технічних наук, доцент Довженко Оксана Олександрівна, Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка, доцент кафедри залізобетонних і кам'яних конструкцій та опору матеріалів.

Захист відбудеться "26" лютого 2008 р. о 14⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.833.01 Державного науково-дослідного інституту будівельних конструкцій за адресою: 03680, м. Київ-37, вул. Івана Клименка, 5/2, зал засідань, к. 218.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Державного науково-дослідного інституту будівельних конструкцій за адресою: 03680, м. Київ-37, вул. Івана Клименка, 5/2.

Автореферат розіслано "24" січня 2008 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук, ст. науковий співробітник Ю.С. Слюсаренко

Анотації

Глуховський В.П. Оцінка міцності кладки та її однорідності у будівельних конструкціях імпульсними методами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди. - Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій Міністерства регіонального розвитку та будівництва України. - Київ, 2008.

В дисертації досліджуються актуальні питання оцінки міцності й однорідності кладки неруйнівними методами в конструкціях, що виконані з керамічних виробів.

Запропоновано новий підхід до отримання такої інформації на основі комплексного використання трьох методів. Ультразвукового імпульсного - для визначення міцності матеріалів кладки, методу хвилі удару та ударного луна-методу - для оцінки її однорідності відповідно при дво- та односторонньому доступі до конструкцій. Обґрунтовано вибір ефективних інформативних параметрів і критеріїв оцінки міцності і однорідності кладки в конструкціях для обраних методів. Розроблено оригінальні методики та технічні засоби для діагностування кам'яних конструкцій. Результати роботи апробовані на багатьох об'єктах, що реконструюються.

Ключові слова: кладка, керамічні вироби, розчин, міцність, однорідність, критерії оцінки, ультразвуковий імпульсний метод, метод хвилі удару, ударний луна-метод.

Глуховский В.П. Оценка прочности кладки и её однородности в строительных конструкциях импульсными методами. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения. Государственный научно-исследовательский институт строительных конструкций Министерства регионального развития и строительства Украины. - Киев, 2008.

Диссертация посвящена актуальной проблеме получения информации о прочности и однородности кладки неразрушающими методами в каменных конструкциях, выполненных из керамических изделий.

Работа состоит из введения, 4 разделов основной части, выводов, списка использованной литературы и приложений.

На основе анализа потребности в информации о прочностных характеристиках кладки и уровня технического диагностирования каменных конструкций определен и разработан новый подход к получению такой информации на основе комплексного использования акустических импульсных методов. Установлено, что ультразвуковой импульсный метод наиболее эффективен для определения прочности кладки, метод волны удара - для оценки ее однородности при двухстороннем доступе к конструкциям и ударный эхо-метод - для оценки однородности при одностороннем доступе.

В результате многочисленных экспериментальных исследований установлены корреляционные зависимости между прочностью разных видов керамических изделий и растворов и временем распространения ультразвука при поверхностном прозвучивании. Прочность материалов кладки по разработанной методике может определяться с погрешностью, не превышающей 20%.

Теоретически и экспериментально изучены процессы соударения и определены оптимальные параметры ударных устройств для реализации метода волны удара и ударного эхо-метода. Обоснован выбор и выполнена проверка эффективности предложенных критериев оценки прочности материалов кладки и её однородности в конструкциях.

Проанализированы погрешности используемых методов. Результаты метрологических исследований использованы при разработке программно-технического комплекса ТКС-1. Созданный комплекс прошел государственную метрологическую аттестацию в Укрметртестстандарте. Он реализует метод волны удара и ударный эхо-метод и позволяет выполнять измерения в крупногабаритных каменных конструкциях как при одностороннем, так и при двухстороннем доступе.

Полученные методические и технические результаты исследований апробированы на многих реконструируемых объектах.

Ключевые слова: кладка, керамические изделия, раствор, прочность, однородность, критерии оценки, ультразвуковой импульсный метод, метод волны удара, ударный эхо-метод.

Glukhovskyi V. P. Assessment of masonry strength and uniformity in building structures by pulse methods. Manuscript.

The thesis for competition of academic degree of the candidate of technical sciences under specialty 05.23.01 - Building constructions, buildings and structures. The State Research Institute of Building Constructions of the Ministry of regions development and construction of Ukraine. Kyiv, 2008.

The actual problems of masonry strength and uniformity applying nondestructive methods for building structures made of clayware were studied.

A new approach for obtaining those data based on integrated applying of three methods is proposed. The ultrasonic pulse method was used for determination of the construction material strength. The impact wave method was used for assessment of masonry uniformity under double-sided access to the structures. The impact-echo method was used for assessment of masonry uniformity under double-sided access to the structures.

The selection of effective informative characteristics and criteria for assessment of masonry strength and uniformity was substantiated. The proper procedures and technical means of masonry structures diagnostic were developed. The outcomes of studying were approved at many different buildings during their reconstruction.

Key words: masonry, clayware, mortar, strength, uniformity, assessment criteria, ultrasonic pulse method, impact wave method, impact-echo method.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Значне зростання за останнє десятиліття обсягів будівництва в умовах щільної міської забудови вимагає достовірної оцінки залишкового ресурсу конструкцій для розробки оптимальних проектів реконструкції та перепланування будівель і споруд. Здебільшого при реконструкції вихідних проектних показників, а також середньостатистичних даних про впливи для оцінки реального напружено-деформованого стану конструкцій бракує. Тому основною вихідною інформацією для розрахунків є оперативні дані, що отримуються за допомогою технічних засобів діагностування. Дуже гострою ця проблема є для цегляних споруд старої забудови. Для прогнозування безпечної експлуатації та прийняття технічно й економічно обґрунтованих рішень при реконструкції таких будівель необхідна комплексна інформація як про фактичні фізико-механічні характеристики кладки, так і про ступінь дефектності конструкцій. Потреба у вихідній фактичній інформації також зростатиме в зв'язку з введенням у дію державних норм з будівництва в сейсмічних районах України (з 01.02.2007 р.) та норм на навантаження і впливи (з 01.01.2007 р.). Відповідно до них для багатьох населених пунктів підвищеними є інтенсивність сейсмічних впливів, а для будівель - вітрові та снігові навантаження.

У цілому таку інформацію можна одержати в процесі діагностування кам'яних конструкцій неруйнівними акустичними імпульсними методами (АІМ). Перевага цих методів полягає в тому, що параметри акустичних імпульсів пов'язані з пружними характеристиками твердого тіла й особливостями його структури. Вони дають змогу визначати як одиничні показники якості, так і інтегральні характеристики, що відкриває можливості щодо одержання інформації з високою достовірністю і прийнятною точністю.

Відносно кам'яних конструкцій, що виконані з керамічних виробів, сучасний рівень АІМ, поряд із відсутністю нормативного забезпечення, характеризується недостатньою вивченістю зв'язків ефективних інформативних параметрів з міцнісними характеристиками матеріалів кладки, відсутністю чітких критеріїв оцінки міцності кладки і її однорідності в будівельних конструкціях.

Брак фактичної інформації про міцність та однорідність кам'яної кладки визначає актуальність і необхідність розвитку методів і спеціалізованих технічних засобів діагностування, їх апробації та впровадження. У зв'язку з тим, що використання неруйнівних методів для визначення міцнісних характеристик кладки з керамічних виробів до цього часу не регламентовано, дисертаційні дослідження в цьому напрямі мають сприяти поповненню фактичної інформації та накопиченню первинних даних для розробки відповідних нормативів у майбутньому.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні наукові і практичні результати дисертаційної роботи отримані в процесі проведення комплексу робіт:

- за Державною науково-технічною програмою "Ресурс" (затвердженою постановою Кабінету Міністрів України від 08.10.2004 р. № 1331) у частині розроблення засобів і систем неруйнівного контролю та діагностики технічного стану об'єктів (держ. реєстрація № 0106U013085);

- при реалізації НДІБК функцій базової організації за напрямом науково-технічної діяльності "Методи і засоби досліджень, контроль якості та випробування будівельних конструкцій", а також у межах договірних робіт.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є удосконалювання неруйнівних методів контролю кладки, виконаної з керамічних виробів, і розробка нових методик діагностування технічного стану кам'яних конструкцій.

Для досягнення мети вирішені такі основні задачі:

- проаналізований накопичений досвід технічного діагностування кам'яних конструкцій;

- визначена ефективність використання теоретичних дисперсійних кривих як критеріїв оцінки однорідності кладки в конструкціях;

- узагальнені дослідження й одержані розрахункові співвідношення по вибору оптимальних параметрів ударних пристроїв для методу хвилі удару (МХУ) і ударного луна-методу (УЛМ);

- обґрунтована ефективність інформативних параметрів, що характеризують міцнісні властивості матеріалів керамічної кладки, і розроблена методика визначення їх міцності ультразвуковим методом (УЗМ);

- запропоновані критерії оцінки міцності матеріалів кладки і її однорідності в конструкціях для трьох методів: УЗМ, МХУ і УЛМ;

- розроблена нова апаратура і програмне забезпечення, що адаптовані до кам'яних конструкцій для реалізації МХУ й УЛМ;

- виконана перевірка в натурних умовах комплексного використання вибраних методів і запропонованих критеріїв;

- запроваджені на обстежуваних об'єктах методичні і науково-технічні результати досліджень.

Об'єкт дослідження - кам'яні конструкції, що виконані з керамічних будівельних виробів, в експлуатованих і реконструйованих будівлях і спорудах.

Предмет дослідження - кладка з керамічних будівельних виробів.

Методи дослідження - розрахунково-теоретичні та експериментальні дослідження параметрів ударних імпульсів і хвильових процесів у матеріалах кладки і кам'яних конструкціях; експериментальні вимірювання акустичних параметрів у кам'яній кладці; статистичні методи аналізу і обробки результатів, порівняльний аналіз результатів акустичних вимірювань з даними механічних випробувань.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше експериментально встановлено нові кореляційні залежності міцнісних характеристик різних видів керамічних виробів і кладільних розчинів з параметрами акустичного сигналу, що мають підвищену чутливість до цих властивостей.

2. Встановлено недостатню ефективність використання дисперсійних кривих як критерію оцінки однорідності кладки в конструкціях при односторонньому доступі. Запропоновано й обґрунтовано використання ударного луна-методу.

3. Запропоновано новий підхід отримання інформації в двох частотних діапазонах - ультразвуковому з оцінкою фактичної міцності кладки і звуковому з оцінкою однорідності кладки в конструкціях.

4. Розроблено і реалізовано нову версію методики визначення міцності кладки з керамічних виробів ультразвуковим імпульсним методом.

5. Отримано величини оптимальних параметрів ударних пристроїв для реалізації на базі сучасних інформаційних технологій методу хвилі удару й ударного луна-методу та їх використання в процесі діагностування однорідності кладки в конструкціях.

6. Обґрунтовано вибір критеріїв оцінки міцності матеріалів керамічної кладки і її однорідності в конструкціях для комплексного використання трьох методів: ультразвукового, хвилі удару та ударного луна-методу.

7. Проведено перевірку в натурних умовах комплексного використання методів і запропонованих критеріїв, що підтвердило достовірність та коректність методичних і технічних підходів при вирішенні проблеми забезпечення інформацією про міцність і однорідність кладки в конструкціях, виготовлених з керамічних матеріалів.

Достовірність результатів досліджень підтверджується: значним обсягом експериментальних досліджень, на підставі яких розроблена методика визначення міцності кладки з керамічних виробів; результатами порівняльного аналізу отриманих числових та експериментальних даних; збіжністю результатів випробувань механічними методами, а також отриманих дисертантом за розробленою методикою; результатами метрологічної атестації технічних засобів.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що за відсутності нормативного забезпечення неруйнівного контролю будівельних конструкцій, виконаних з керамічної кладки, розроблені методичні і технічні підходи дають змогу порівняно з механічними випробуваннями значно збільшити обсяг фактичної інформації про міцнісні характеристики матеріалів кладки і її однорідність в конструкціях. Результати досліджень з використання УЗМ, МХУ і УЛМ можуть бути основою для розробки відповідних стандартів технічного діагностування кам'яних конструкцій.

Розроблена "Методика визначення міцності керамічних виробів ультразвуковим методом" (НДІБК, МВ-К-01, затверджена 13.12.2000 р.), уточнена за результатами досліджень, використана в понад 80 практичних роботах при інструментальних обстеженнях об'єктів, що реконструюються, у тому числі й історичних пам'яток: будівель вокзалів ст. Київ-пасажирський і приміського вокзалу; верхньої підпірної стіни "Нової Печерської фортеці" по вул. Паркова дорога, 3; виробничих будівель по вул. Борисоглібській, 8-6/16-11; житлових будинків по вул. Софіївській, 12, 14 і Бехтерівському пров., 13, 13А; будівлі Держоблархіву по вул. Мельникова, 40; будівлі готелю "Санкт-Петербург" по вул. Т. Шевченка, 4; комплексу будівель "Старий Арсенал" по вул. Січневого повстання, 28-30; комплексу будівель по Контрактовій пл., 8, 9 і вул. Андріївський узвіз, 2 (у м. Києві).

Створений багатофункціональний програмно-технічний комплекс ТКС-1, що реалізує МХУ і УЛМ, за розробленою методикою (МП-001/01-22-2004, затвердженою 15.02.2004 р.), пройшов державну метрологічну атестацію в Укрметртестстандарті (свідоцтво № 22-1434 від 10.12.2004 р.) і рекомендований НТР НДІБК (протокол № 2 від 28.04.05 р.) для широкого практичного використання. Він дає змогу виконувати вимірювання у великогабаритних кам'яних конструкціях як при двосторонньому, так і при односторонньому доступі до них за розробленою методикою (МВ-ЛР-01/322-04, затвердженою 12.12.2004 р.). Комплекс ТКС-1 був використаний у процесі досліджень, а також у практичних роботах з визначення однорідності кладки в конструкціях.

Особистий внесок здобувача полягає в експериментальних і теоретичних дослідженнях зв'язків параметрів акустичних імпульсів з міцнісними характеристиками керамічних виробів і розчинів та однорідністю кладки у конструкціях; розробці методичного та науково-технічного забезпечення комплексного використання АІМ для діагностування кам'яних конструкцій.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались: на науково-практичних семінарах "Запобігання руйнуванням та аваріям будівельних конструкцій" (Чернівці, 2000, 2002, 2003); на Всеукраїнській науково-практичній конференції "Реконструкція будівель та споруд. Досвід та проблеми" (Київ, 2001); міжнародному семінарі "2001 International Seminar on Technology & Application for Construction Engineering Test" (Чуньсінь, КНР, 2001); конференції "Новітні технології діагностики, ремонту і відновлення об'єктів будівництва та транспорту" (Піщане, АРК, 2003); 12-й міжнародній конференції "Сучасні методи і засоби неруйнівного контролю та технічної діагностики" (Ялта, 2004); 6-й Всеукраїнській конференції "Будівництво в сейсмічних районах України" (Ялта, 2006).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 15 робіт, які повною мірою відображають зміст роботи, із них 8 - у наукових фахових виданнях, визначених ВАК України [1, 3 - 6, 8, 11, 13]. В публікаціях, підготовлених у співавторстві, дисертантові належать: в [3] - розробка методичного забезпечення визначення міцності кладки ультразвуковим методом; в [4] - проведення досліджень, розробка методики та узагальнення досвіду при визначенні міцності цегли за допомогою ультразвуку; в [7] - розробка технічних засобів та проведення експериментальних досліджень; у [8] - аналіз практичного застосування ультразвукового методу; в [9] - проведення та аналіз експериментальних досліджень на частоті ультразвукових коливань 70 кГц; в [10] - 20% вкладу у винахід; в [11] - формулювання підходів, розробка методичного та технічного забезпечення досліджень; в [12] - формулювання вимог до нестандартизованих засобів повірки; в [13] - формулювання вимог до складу комплексу; в [14] - формулювання вимог до системи в цілому та її метрологічного забезпечення; в [15] - формулювання загальних вимог. Ідеї і розробки, що належать співавторам, у дисертації не використовувались.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, 4 розділів основної частини, висновків, списку використаних джерел, додатків.

Повний обсяг дисертації становить 194 сторінки, обсяг основної частини - 138 сторінок, 12 сторінок з ілюстраціями і таблицями. Робота включає 15 таблиць, 66 ілюстрацій, 2 додатки. Список використаних джерел складається із 133 найменувань.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, визначено мету та основні напрями її досягнення, розкрито наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, наведено дані про їх публікацію та апробацію.

У першому розділі наведено огляд і критичний аналіз сучасного рівня розвитку імпульсних методів технічного діагностування кам'яних конструкцій. З урахуванням обмежених напрацювань (порівняно з неруйнівними випробуваннями бетону) також розглянуті методи потенційно придатні для діагностування кладки.

Міцність матеріалів кладки - основна характеристика, яку відповідно до нормативних вимог (СНиП II-22-81) одержують експериментальним шляхом. Стандартні механічні випробування, незважаючи на об'єктивність та очевидну необхідність, через малу вибірку і випадковість відбору зразків не забезпечують високу достовірність та інформативність даних щодо міцнісних характеристик у великих масивах кладки, де може використовуватися цегла і розчин із різними міцнісними характеристиками. Це особливо характерне для старих будівель що реконструюються, у яких навіть початково однорідні матеріали за тривалий час експлуатації в різних умовах (наприклад надземна і підземна частини будівель) значною мірою змінюють свої механічні характеристики.

Для об'єктивної оцінки міцності кладки та стану конструкцій потрібні методи, що забезпечують достовірне визначення досліджуваних характеристик і їх мінливості при статистично значущих вибірках вимірювань інформативних параметрів. Найбільш перспективними для цього є неруйнівні методи, що ґрунтуються на імпульсному збудженні. Проаналізовано два напрямки їх розвитку. Перший базується на розгляді реакції пружного середовища на імпульсний вплив у формі опору матеріалу проникненню твердих тіл (механічні методи), другий - на розгляді поширення пружних хвиль у середовищі (акустичні методи).

Показано, що стосовно кам'яної кладки механічні методи (засновані на пластичній деформації, відскоку ударника від поверхні, параметрах ударного імпульсу) є не досить ефективними. Вони не дають уявлення про внутрішню структуру і стан конструкції в цілому і їх використання можливо тільки для якісної характеристики поверхневої міцності керамічних виробів.

Основними потенційними джерелами інформації про фактичні міцнісні характеристики керамічної кладки і її однорідність є АІМ. Теоретичною основою цих методів є функціональні зв'язки швидкостей поширення пружних хвиль, які використовуються як характеристики матеріалів. Для безмежного ізотропного пружного тіла такі зв'язки характеризуються швидкостями поздовжньої C_L і поперечної C_T хвиль, функціонально пов'язаними з щільністю с і характеристиками пружності:

; , (1)

де Е, G - відповідно лінійні модулі пружності і зсуву; м - коефіцієнт Пуассона.

Принциповим питанням розвитку АІМ діагностування будівельних конструкцій, присвячено низку наукових робіт, серед авторів яких - М.М. Альошин, Д.М. Гаріфулін, І.В. Защук, Н.О. Єсеніна, М.О. Крилов, Г.Я. Почтовик, Ю.М. Рапопорт, С.М. Савін, В.В. Судаков, I. Facaoaru, J. Krautkramer, R. Jones, M. Sansalone, R. Sharpe та ін.

У НДІБК значний внесок у дослідження підходів, нормативно-методичного та технічного забезпечення діагностування будівельних конструкцій зробили: Ю.І. Немчинов, Ю.С. Слюсаренко, В.Г. Тарасюк, А.М. Бамбура, В.О. Крітов, М.Г. Мар'єнков, Г.В. Шарапов, С.І. Ногін, П.С. Вітюк, М.В. Сидоренко, В.О. Токарєв та ін.

Розвиток АІМ відбувається у двох напрямах: із використанням кореляційних зв'язків та аналізу параметрів імпульсів і хвильових процесів. Для АІМ діагностування неметалевих будівельних конструкцій використовують в основному два частотних діапазони: ультразвуковий (УЗ) на частотах від 20 до 200 кГц і звуковий (ЗВ) на частотах від 20 Гц до 20 кГц. В УЗ діапазоні дістали розвиток методи, пов'язані з використанням кореляційних залежностей між інформативними параметрами й одиничними показниками якості та використанням окремих параметрів імпульсів для характеристик структури матеріалу. У ЗВ діапазоні розвиваються методи, що базуються на аналізі хвильових процесів для комплексної оцінки стану конструкцій.

УЗМ дістав поширення при визначенні міцнісних характеристик. Він базується на їх зв'язку зі швидкостями поширення імпульсів. Методи ультразвукової дефектоскопії є порівняльними і полягають у зіставленні характеристик імпульсів, що пройшли крізь досліджуваний об'єкт при контролі різних ділянок конструкцій. Рішення про наявність дефекту приймаються на ймовірнісній основі, якщо

Х_ср - рS_х ? Х_i ? Х_ср + рS_х, (2)

де Х_ср, S_х - відповідно середнє значення і середнє квадратичне відхилення параметра на бездефектних ділянках конструкцій; р - коефіцієнт, що визначається припустимим ризиком прийняття помилкового рішення про наявність дефекту і законом розподілу Х; Х_i - значення параметра, що вимірюється.

До загальних недоліків УЗМ можна віднести обмеження за базами прозвучування, пов'язаними зі специфікою поширення ультразвукових коливань у структурно-неоднорідних неметалевих будівельних матеріалах. Велике загасання сигналів в УЗ діапазоні не дає змоги достовірно виконувати вимірювання через шари кладки, особливо при низькій міцності розчину. Обмежені також можливості щодо визначення пружних констант матеріалів, оскільки не вдається вірогідно встановити типи хвиль в імпульсному пакеті. Тому ультразвукові імпульсні методи можуть бути використані тільки для досліджень матеріалів кладки або локальних ділянок конструкцій.

Частотно залежний характер загасання дає змогу виконувати прозвучування великих масивів кладки в ЗВ діапазоні. У використовуваних МХУ і УЛМ збудження пружних хвиль здійснюється ударом молотка або за допомогою спеціальних механічних (електромеханічних) пристроїв. МХУ може забезпечити прозвучування конструкцій при двосторонньому доступі розміром до 30 м. УЛМ розвивається у двох напрямах: для контролю плоских конструкцій і контролю протяжних стрижневих конструкцій. У плоских конструкціях із бетону при односторонньому доступі УЛМ можна здійснювати вимірювання, якщо товщина стін становить близько 2 м. Така чутливість методів у процесі їх адаптації до особливостей керамічної кладки дасть змогу проводити дослідження як при двосторонньому, так і при односторонньому доступі до конструкцій. Основні складності, пов'язані з реалізацією методів, стосуються ідентифікації хвильових процесів, специфіки вимірювань часових інтервалів поширення імпульсів із положистим переднім фронтом, інтерпретації одержуваних даних.

За результатами аналізу визначений найбільш перспективний напрям досліджень - комплексне використання методів в УЗ і ЗВ діапазонах частот. Однак реалізація такого напряму стримується низкою факторів: відсутністю нормативного забезпечення; чітких критеріїв оцінки міцності керамічної кладки і її однорідності в конструкціях; серійних технічних засобів для проведення досліджень у ЗВ діапазоні частот, а також недостатньою вивченістю зв'язку інформативних параметрів з міцнісними характеристиками матеріалів кладки, що не дає змоги одержувати числові значення цих характеристик. Це визначило завдання, які необхідно вирішити в процесі виконання дисертаційної роботи.

У другому розділі наведене обґрунтування вибору конкретних методів для досліджень міцнісних характеристик кладки і її однорідності в конструкціях. УЗМ визнаний найбільш ефективним для визначення міцності кладки, МХУ і УЛМ - для оцінки її однорідності відповідно при дво- та односторонньому доступі до конструкцій.

Показано, що при поверхневому прозвучуванні одним з результативних параметрів може бути час поширення ультразвуку від випромінювача до приймача при використанні приладів, укомплектованих пристроями з акустичними насадками. При такому способі вимірювань основне перенесення енергії УЗ імпульсів відбувається в поверхневому шарі глибиною до 30 мм. Ці результати отримані автором при відпрацюванні методики УЗ контролю якості заповнення поверхневих тріщин у бетоні ремонтним матеріалом. Стосовно матеріалів кладки це означає, що поверхневий шар такої товщини буде інформаційним у разі використанні УЗМ.

Дослідження, виконані М.М. Альошиним, дали змогу застосовувати УЗМ і МХУ для технічного діагностування кам'яних конструкцій. Ним запропонована якісна класифікація міцності кладки при двосторонньому доступі до конструкцій за швидкостями поздовжніх хвиль у сейсмоакустичному діапазоні. Для досліджень характеристик стін розглянуті підходи із застосуванням дисперсійних теоретичних і експериментальних кривих. Такі технології дістали розвиток у НІЦ 26 ЦНДІ (м. Санкт-Петербург) і використані при технічному діагностуванні багатьох будівель і споруд.

Стандартизований у США УЛМ для визначення товщини і дефектоскопії плитоподібних бетонних конструкцій базується на збудженні поверхні коротким механічним ударом, реєстрації прийомним перетворювачем сигналу і його подальшій спектральній обробці. Сутність спектральної обробки полягає у визначенні частоти коливань, що відповідає резонансу за товщиною плити.

Для МХУ і УЛМ, а також для побудови дисперсійних кривих потрібна однозначна інтерпретація типів хвиль. На сьогодні відсутні надійні методики розподілу поздовжніх і поперечних хвиль у неметалевих будівельних матеріалах і конструкціях. Такі висновки підтверджуються дослідженнями, виконаними автором по можливості ідентифікації типів хвиль в акустичних сигналах, які є наслідком реакції конструкцій на ударний вплив. Досліджувались хвильові процеси, пов'язані з основними напрямками деформацій у перерізах залізобетонних колон. За кінематичними і динамічними ознаками поздовжні і поперечні хвилі надійно селектувались тільки в колонах із квадратним перерізом. У конструкціях з іншій формою перерізу не вдалося чітко розмежувати поздовжні і поперечні хвилі. Це зумовило використання стосовно кладки тільки поздовжніх хвиль.

У розділі теоретично розглянуто побудову дисперсійних кривих, у яких швидкість хвилі Релея використовується як характеристика швидкісного розрізу матеріалу конструкції. Основою досліджень були теоретичні висновки Лемба. Він показав, що при збудженні в суцільній однорідній плиті синусоїдальних коливань у ній поширюються два типи хвиль, які можна подати у вигляді характеристичних рівнянь:

для симетричних хвиль

; (3)

для антисиметричних (згинальних) хвиль

, (4)

тут

; ; ,

де С - фазова швидкість; - номер моди коливання поперечних хвиль; d - половина товщини плити.

Для збереження основної моди симетричних коливань існує умова С_R<C<С_L, а для антисиметричних - має виконуватись умова С_T>С_R>C.

Проаналізовано дисперсійні криві для середніх значень швидкості поздовжніх і поперечних хвиль у цегляній кладці.

З аналізу кривих випливає, що коли довжина хвилі л прямує до нуля, швидкості обох основних мод коливань, як антисиметричного, так і симетричного, прямують до однієї межі, а саме до швидкості хвилі Релея. Для реальних співвідношень довжин хвиль і товщин у кам'яній кладці як для симетричних, так і згинальних хвиль буде спостерігатися значна частотна і геометрична дисперсія швидкості. Наприклад, при вимірюваннях на частоті 60 кГц довжина хвилі дорівнює 20...40 см. Для стіни товщиною 50 см відношення л/Н буде перебувати в межах 0,4...0,8, тобто в області найбільшої дисперсії фазової швидкості симетричних хвиль. В імпульсному варіанті це означає, що форма імпульсу, який можна розглядати як інтеграл Фур'є для ряду синусоїдальних складових, буде видозмінюватися по мірі проходження від точки його виникнення і при вимірюваннях вимагатиме вжиття спеціальних заходів щодо зниження цього впливу. Одним із них є використання вузького діапазону частот при створенні умов формування імпульсного пакету з переважними для цього діапазону частотами.

Побудова дисперсійних кривих вимагає значень швидкостей різних типів хвиль, із яких однозначно і достовірно інтерпретуються тільки поздовжні. Поряд із відсутністю критеріїв порівняння теоретичних і експериментальних кривих, їх використання для оцінки однорідності кладки в конструкціях визнано не досить ефективним. Для цього після відпрацьовування методичних і технічних прийомів з вимірювання товщини кам'яних конструкцій запропонований УЛМ.

Тривалість і сила удару є критичними величинами при реалізації МХУ і УЛМ. Тривалість співудару формує переважний частотний діапазон у спектрі ударного імпульсу, сила удару - його амплітудні параметри. Тому правильний вибір ударника може забезпечити у виробі з конкретною геометрією краще формування конкретних типів пружних хвиль у необхідному частотному діапазоні. Коректні результати для визначення параметрів ударника можна одержати на підставі аналізу повної картини співудару, отриманої шляхом наближеного розв'язування задачі про ударну взаємодію й експериментального дослідження хвильових процесів, що зароджуються, на реальних моделях.

Отримано розрахункові співвідношення для випадку співудару сталевої кулі з плитою. Встановлено, що величина стиску плити і тривалість зближення, і відповідно, сформовані початкова амплітуда і фронт ударної хвилі від діаметра кулі залежать лінійно. Від висоти падіння кулі залежність величини стиску незначна і практично відсутня для тривалості зближення.

Розроблено програму і методику експериментальних досліджень матеріалів і зразків керамічної кладки з використанням УЗМ, МХУ і УЛМ. Статистично значущий об'єм зразків із різних видів керамічних виробів і розчинів було заплановано одержувати шляхом відбору з кладки реконструйованих об'єктів. Зразки керамічних виробів умовно були розподілені на такі види: цеглу виготовлену ручним способом у XIX ст. - на початку XX ст. (КС); цеглу повнотілу виготовлену за ДСТУ Б В 2.7-61-97 і ГОСТ 530-80 (КП); цеглу з технологічними пустотами (КТ), що виготовлена за ДСТУ і ГОСТом; камені (КМ), що виготовлені за ДСТУ і ГОСТом. Проби розчину розподілялися за видом в'яжучих на вапняні, цементно-вапняні і цементні. Для експериментальних досліджень були розроблені схеми вимірювань для трьох методів та обґрунтований вибір технічних засобів.

У третьому розділі наведені результати численних експериментальних досліджень, у процесі яких вдалося встановити статистично обґрунтовані кореляційні залежності між міцністю матеріалів кладки і часом поширення ультразвуку при поверхневому прозвучуванні t як найбільш ефективним параметром. Це було показано на підставі аналізу інших параметрів ультразвукового імпульсу, що реагують на фізико-механічні характеристики і структуру керамічних виробів (амплітуда, час реверберації, спектральний склад імпульсу, що пройшов).

Вимірювання часу поширення ультразвуку t по фронту імпульсу в режимі максимального підсилення можна розглядати як вимірювання узагальненого параметру. Фронт імпульсу формується амплітудними і спектральними характеристиками сигналу, що пройшов через цеглу і включає інформацію про фазову швидкість і пружні характеристики зразка. Тобто цей параметр є найпростішою інтегральною характеристикою УЗ імпульсу, який пройшов, що найбільш повно відображає зв'язок із пружними характеристиками виробів.

Для цегли з низькою міцністю характерне збільшення часу поширення, менша інтенсивність і тривалість реверберації імпульсу, що прошов, а також більша пологість (затягування) переднього фронту ф_ф, що пов'язано з реакцією на імпульсний вплив матеріалів із різними пружними характеристиками, а також з більшим загасанням високочастотних складових імпульсу.

Обробка статистичних даних показала, що для всіх видів керамічних виробів коефіцієнти кореляційного зв'язку параметра t становлять: 0,67 - із міцністю на стиск (317 зразків); 0,63 - із міцністю на згин (261 зразок). Установлено відсутність значущого зв'язку часу t з міцністю на згин цегли з технологічними пустотами, що значною мірою визначає загальний коефіцієнт варіації (0,63) між цими параметрами для всіх видів цегли. Це обмежує можливу сферу використання цього зв'язку тільки повнотілою цеглою. При виключенні КТ коефіцієнт кореляції між міцністю на згин повнотілої цегли (КС і КП) та інформативним параметром становить 0,71. Порівнянним із ним є коефіцієнт кореляції 0,67 між міцністю на стиск та інформативним параметром, що забезпечує практичну можливість визначення цих міцнісних характеристик за значеннями параметра t . Одержати більш тісні зв'язки, і, як наслідок, підвищити точність при визначенні міцнісних характеристик можна при поділі керамічних виробів на окремі види.

Найбільш точно встановлені зв'язки описуються рівняннями регресії лінійного виду для міцності на згин і степеневого виду для міцності на стиск. Оцінка придатності використання рівнянь регресії як градуювальних залежностей показала, що міцність керамічних виробів при поділі їх на окремі види може визначатися з похибкою, що не перевищує 20%.

Визначено основні чинники, що впливають на вимірювання інформативного параметра, і сформульовані вимоги до їх проведення для встановлення базових (основних) градуювальних залежностей.

Характер зміни УЗ імпульсу при прозвучуванні розчину аналогічний прозвучуванню цегли. Це дало змогу використовувати один і той самий інформативний параметр t, який у горизонтальних швах досить точно вимірюється серійними ультразвуковими приладами, оснащеними пристроями типу УППР, УПП, що забезпечують крапковий акустичний контакт із розчином.

Обробка експериментальних даних показала, що для всіх проб коефіцієнт кореляції між міцністю на стиск і відповідними значеннями інформативного параметра становить 0,85, що є прийнятним для практичної реалізації і не вимагає поділу розчинів на окремі види.

Найбільш точно встановлений зв'язок описується рівнянням регресії експоненціального виду. Оцінка його придатності для використання як градуювальної залежності показала, що залишкова похибка встановленої залежності становить 19%. Регламентована відносна різниця в міцності між сусідніми за параметричним рядом марками розчину перевищує отриманий показник. Це дає підставу на практиці використовувати встановлену градуювальну залежність у якості базової при визначенні міцності розчину.

На реальних об'єктах виконання вимірювань доцільно проводити у швах розчину товщиною 10...15 мм. Розрахункова складова похибки від впливу товщини при цьому для розчинів у діапазоні міцності умовних марок 25...50 буде розміщуватись в межах 6%. Такі обмеження за товщиною також підвищать достовірність вимірювань за рахунок виключення впливу, пов'язаного з проходженням ультразвуку по цеглі.

Отримані дані дали змогу уточнити раніше розроблену автором "Методику визначення міцності керамічних виробів ультразвуковим методом" (НДІБК, МВ-К-01, затверджена 13.12.2000 р.). Вона включає такі основні вимоги: до видів виробів; методів вимірювань; інформативних параметрів; вимірювальної апаратури; підготовки вимірювань; виконання вимірювань; виконання розрахунків; обробки результатів; оцінки міцності керамічних виробів і розчину; визначення розрахункового опору кладки стиску; контролю похибки випробувань. Ці методики апробовані на багатьох об'єктах (понад 80 об'єктах, що реконструюються) і довели свою ефективність при визначенні фактичної міцності кладки в конструкціях.

У третьому розділі також наведені результати експериментальних досліджень процесу співудару ударника з елементами керамічної кладки. Досліджувалися електричні параметри ударних імпульсів (тривалість ф_ф і амплітуда А фронту), пов'язані з отриманими механічними розрахунковими характеристиками (тривалістю зближення ф_фр і стиском зразка w₂).

Установлено, що основними чинниками, що впливають на формування тривалості ударного імпульсу, є маса ударника m, його модуль пружності Е і меншою мірою - діаметр d. Відсутність залежності тривалості співудару від висоти h дозволяє вибрати в якості ударника ручний молоток, що падає під кутом . Завдяки високій збіжності розрахункових та експериментальних даних (див. таблицю) параметри ударника можна визначати в процесі розрахунку.

Тип ударника	Співвідношення параметрів ударного впливу	Співвідношення параметрів реакції на ударний вплив
		Розрахункові значення	Експериментальні значення
		(w2)2/(w2)1	(ффр)2/(ффр)1	А2 /А1	(фф)2/(фф)1
Куля	h2 / h1 = 4	1.74	0.87	2.6	1
	d2 / d1 = 3.75; m2 / m1 = 52.734	3.75	3.75	4.3	2.5
Молоток зі сферичним наконечником		1.7	0.875	2.3	0.81
	m2 / m1 = 1.52	1.18	1.18	1.07	1.17

Для об'єктивної оцінки залишкового ресурсу конструкції, у тому числі й можливості визначення збереженого робочого перерізу, необхідний коректний вибір критеріїв, що стосуються конкретного об'єкта. Такі критерії мають враховувати допустимий рівень неоднорідності за перерізом, при якому і фактичні міцнісні характеристики кладки мають перевищувати мінімально допустимі значення. Можливість дво- або одностороннього доступу до конструкцій на обстежуваних об'єктах зумовила необхідність окремого розгляду цих випадків при призначенні критеріїв, тобто для кожного з трьох вибраних методів.

УЗМ. При оцінці міцності цегли (каменів) не враховується фактичний її коефіцієнт варіації. Неоднорідність міцності в межах конкретної марки враховується різницею між середньою і найменшою міцністю для окремого зразка. Згідно з ДСТУ у діапазоні міцності на стиск, що відповідає маркам 75…300, відносна різниця між середніми і мінімальними значеннями розміщується в межах від 16,6 (М 300) до 33.3% (М 75). Усереднене значення цього показника (25%) може слугувати критерієм оцінки однорідності керамічних виробів за міцністю.

З урахуванням того, що марка розчину призначається за середньою міцністю на стиск, показником однорідності може слугувати середнє значення міцності R_{р i} на конкретній ділянці. Відхилення середніх значень міцності на ділянках кладки в межах діапазону міцності конкретної марки буде свідчити про однорідність розчину в конструкції:

М_n < R_{р i} ? М_n-1, (5)

де М_n, М_{n-1 -} середні значення міцності для сусідніх по параметричному ряду марок розчину.

МХУ. Можливі відхилення міцності, різноманітність дефектів і їх різний вплив на експлуатаційні властивості конструкцій потребують інтегрального підходу при встановленні критерію допустимої неоднорідності за перерізом конструкцій. Таким інтегральним показником є швидкість поздовжньої хвилі на конкретній ділянці конструкції. Вимірювання C_L як шляхом наскрізного прозвучування при двосторонньому доступі, так і способом поверхневого профілювання при односторонньому доступі проводиться по фронту поздовжньої хвилі. При наскрізному прозвучуванні для надійної реєстрації фронту, збудження має здійснюватись сталевим молотком, а імпульс, що пройшов, підсилюватися до необхідного рівня шляхом вибору коефіцієнта підсилення. Вимірювання С_L способом поверхневого профілювання, коли два перетворювачі встановлюються на фіксованій відстані на площині, а точки збудження і прийому розміщуються на одній лінії, необхідні для реалізації УЛМ при односторонньому доступі до конструкцій. Обов'язковою умовою таких вимірювань є реєстрація фронту ударної хвилі, що поширюється зі швидкістю С_L (рис. 5).

Для поздовжніх хвиль швидкість проходження імпульсу через кладку C_{L кл} може бути представлена у вигляді

, (6)

де H, h₁, h₂ - товщина шарів відповідно кладки, цегли (каменів), розчину; n - кількість шарів; t_Lкл,, t_Lк,, t_Lр - час поширення імпульсу відповідно в кладці, цеглі (каменях), розчині.

Щоб вимірювання швидкості було коректним, кількість шарів n має бути не меншою від трьох. Для наскрізного прозвучування це забезпечується в конструкціях з кладкою в півтори цегли, а в разі поверхневого профілювання - при мінімальній відстані між перетворювачами 35 см. У разі виконання таких вимог на умовно "бездефектній" ділянці в різних точках способом наскрізного прозвучування вимірюється швидкість C_Lкл і розраховується її середнє значення С_Lср і середнє квадратичне відхилення S_С . "Бездефектну" ділянку вибирають за результатами ультразвукових вимірювань, припускаючи, що в кладці міцність цегли і розчину перебувають у межах природної неоднорідності. На цій ділянці міцнісні характеристики цегли і розчину мають бути близькими до середніх значень. На ньому не допускаються видимі тріщини і дефекти. Критерієм допустимого рівня неоднорідності (дефектності) кладки при двосторонньому доступі береться умова

С_Lдеф ? С_Lср - S_С, (7)

де С_Lдеф - середня швидкість поздовжніх хвиль на ділянці кладки з неоднорідністю, що перевищує допустимий рівень дефектності.

УЛМ. Підходи при призначенні критерію неоднорідності за перерізом у разі одностороннього доступу такі самі, як і для наскрізного прозвучування ("бездефектна" ділянка, товщина стіни не менше ніж 35 см).

Однією з умов оптимального формування в імпульсному спектрі частоти, що відповідає резонансу за товщиною, є тривалість співудару, що може бути забезпечена при використанні ручних молотків із наконечниками, виконаними із різних матеріалів. За отриманими розрахунковими співвідношеннями були визначені ударники, що забезпечують оптимальні умови співудару з кам'яними конструкціями. Вони розраховані для початкової швидкості співудару 1 ... 2 м/с і необхідного діапазону для формування фронту ударної хвилі в діапазоні 50...1000 мкс. Переваги таких ударників полягають у зручності нанесення ударів, а також у відомому формованому частотному діапазоні, що дає змогу забезпечити в конкретній конструкції найкращі умови формування коливань, що відповідають її товщині. Крім формування необхідних параметрів удару, для забезпечення коливань поверхневої хвилі з частотою, близькою до частоти, що відповідає відбиттям між межами стіни, важливим є селектування в амплітудному спектрі частотного піка, що відповідає товщині. Чітке виділення частотного піка, що відповідає товщині, можливе при виконанні фільтрації в цьому діапазоні частот, і в разі необхідності при обробці початкової частини імпульсів, на яких взаємодія різних типів хвиль мінімальна.

У разі дотримання цих вимог на "бездефектній" ділянці в різних точках вимірюється частота, що відповідає резонансу за товщиною стіни Н, розраховується її середнє значення F_H і середнє квадратичне відхилення S_F. З допомогою МХУ способом поверхневого профілювання визначається С_Lср у кладці і розраховується середня товщина стіни на бездефектній ділянці

Н = С_Lср / 2 F_H . (8)

Критерієм допустимого рівня неоднорідності кладки в припущенні, що товщина стіни на контрольованих ділянках однакова, береться умова

F_H - S_F ? F_{H i} ? F_H + S_F, (9)

де F_{H i} - середня частота на ділянці кладки з допустимим рівнем неоднорідності.

Слід зазначити, що середні квадратичні відхилення параметрів, використані в МХУ й УЛМ для призначення критеріїв, є комплексною характеристикою, що включає інформацію про неоднорідність і похибку використовуваних методів і вимірювань.

У четвертому розділі розглянуто науково-методичні основи метрологічного забезпечення методів УЗМ, МХУ й УЛМ. Проаналізовано інструментальні систематичні похибки використовуваних методів і визначені шляхи їх зниження. Результати метрологічних досліджень були використані в процесі розробки й атестації багатофункціонального програмно-технічного комплексу ТКС-1, що на базі сучасних інформаційних технологій реалізує МХУ і УЛМ. Створений з застосуванням комп'ютера типу ноутбук комплекс, за розробленою методикою (МП 001/01-22-2004, затверджена 15.02.2004 р.), пройшов державну метрологічну атестацію в Укрметртестстандарті (свідоцтво № 22-1434 від 10.12.2004 р.) і рекомендований НТР НДІБК (протокол № 2 від 28.04.05 р.) для широкого використання на практиці. Він призначений для вимірювань у великогабаритних, у тому числі і кам'яних конструкціях при дво - і односторонньому доступі до них. Чотириканальний комплекс ТКС-1 дає змогу здійснювати: реєстрацію аналогових сигналів у цифровому вигляді з часовою формою їх подання; Фур'є-перетворення з часової форми подання сигналів у частотну як у цілому для зареєстрованих сигналів, так і для окремих їх частин; цифрову фільтрацію сигналів, а також вимірювання амплітуд, часових інтервалів і частот в спектрах сигналів, визначати лінійні розміри конструкцій. Робота з комплексом здійснюється відповідно до розробленої "Методики проведення вимірювань при визначенні лінійних розмірів протяжних конструкцій типу паль і плоских конструкцій типу стін" (НДІБК, МВ-ЛР-01/322-04, затверджена 12.12.2004 р.).

Методичні і технічні результати досліджень, отримані в дисертаційній роботі, використані в практичних роботах НДІБК щодо оцінки кількісних показників міцності кладки з керамічних виробів у будівлях, що характеризують їх експлуатаційну придатність порівняно з гранично-допустимими значеннями. Ці результати дали можливість одержати вихідний матеріал для проведення чисельних досліджень, аналізу несучої спроможності конструкцій і приймати обґрунтовані рішення щодо забезпечення їх безпечної експлуатації.

Потреба в оцінці міцності і однорідності кладки виникає в основному під час реконструкції, реставрації і відновленні пам'яток історії й архітектури, виробничих, громадських і житлових будівель, аварійних об'єктів. Практичні роботи з оцінки міцності кладки за розробленими методиками виконуються автором з 1998 р. У розділі наведені фактичні дані про міцність різних видів керамічних виробів і розчинів, отримані в період із 2003 р. по 2007 р. на 40 об'єктах (у м. Києві). На прикладі окремих об'єктів продемонстрована перевірка в натурних умовах ефективності запропонованих методичних і технічних підходів при оцінці міцності і однорідності кладки з використанням трьох обраних методів.