Диагностика и контроль качества строительных конструкций вибрационными методами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.01, кандидат технических наук Калашников, Михаил Олегович

• Калашников, Михаил Олегович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Калашников, Михаил Олегович

ВВЕДЕНИЕ

I КРАТКИЙ АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР РАЗВИТИЯ НЕРАЗРУШАЮЩИХ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ И КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

1.1 Методы неразрушающих испытаний образцов и строительных конструкций

1.2 Анализ развития вибрационных методов контроля

1.2.1 Испытания в режиме свободных колебаний

1.2.2 Испытания конструкций в режиме вынужденных колебаний

1.3 Возможные пути устранения недостатков вибрационных методов

1.4 Другие возможности вибрационных методов

1.5 Использование новых динамических характеристик строительных конструкций

1.6 Промышленные средства измерений для проведения неразрушающих вибрационных испытаний строительных конструкций

1.7 Перспективные направления исследований

II МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА КОНСТРУКЦИЙ БАЛОЧНОГО ТИПА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОЭФФИЦИЕНТОВ НЕЛИНЕЙНЫХ, ИСКАЖЕНИЙ И АМПЛИТУДНОЙ МОДУЛЯЦИИ

2.1 Общие сведения о коэффициенте нелинейных искажений

2.1.1 Обработка акустических сигналов

2.1.2 Статическая характеристика нелинейных*искажений

2.1.3 Общие сведения о коэффициенте нелинейных искажений

2.2 Сведения о коэффициенте амплитудной модуляции

2.2.1 Общие положения

2.2.2 Амплитудная модуляция. Коэффициент модуляции

2.3 Использование коэффициента нелинейных искажений для контроля качества строительных конструкций

2.3.1 Методика использования коэффициента нелинейных искажений

2.4 Использование коэффициента амплитудной модуляции для контроля качества строительных конструкций

2.4.1 Методика использования коэффициента амплитудной модуляции

III ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО КОНТРОЛЮ КАЧЕСТВА КОНСТРУКЦИЙ БАЛОЧНОГО ТИПА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОЭФФИЦИЕНТОВ НЕЛИНЕЙНЫХ ИСКАЖЕНИЙ И АМПЛИТУДНОЙ МОДУЛЯЦИИ 54 3.1 Стенды и приборы для испытания балок

3.1.1 Стенд и приборы пря проведения вибрационных испытаний железобетонных балок

3.1.2 Стенд и приборы для проведения вибрационных испытаний составных деревянных балок

3.2 Испытания железобетонных перемычек 8ПБ-13

3.2.1 Использование коэффициента нелинейных искажений

3.2.2 Использование коэффициента амплитудной модуляции

3.3 Испытания деревянных составных балок (2800x100x50 мм)

3.4 Испытания болыиеразмерных железобетонных моделей балок

3.5 Определение жесткости горизонтального шва составной деревянной балки с использованием коэффициента нелинейных искажений

3.6 Составная балка повышенной жесткости соединительного

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Диагностика и контроль качества строительных конструкций вибрационными методами»

Актуальность темы

В современном строительном комплексе нашей страны железобетонные конструкции остаются наиболее распространенными по сравнению с металлическими и деревянными конструкциями. В настоящее время в связи наметившимся ростом объемов строительно-монтажных работ и расширяющимся рынком услуг заводов-изготовителей требования к качеству строительных конструкций возросли.

Для диагностики состояния и контроля качества железобетонных конструкций при их изготовлении и при обследовании зданий и сооружений используются различные методы. Одним из наиболее распространенных является статический метод испытания по ГОСТ 8829-94 [30].

При изготовлении железобетонных конструкций для контроля их жесткости, трещиностойкости и прочности используется разрушающий метод статического нагружения, при реализации которого проводятся выборочные испытания железобетонных конструкций на нескольких изделиях из определенной партии конструкций. По результатам таких испытаний судят о качестве всей партии. Недостатками такого метода контроля качества являются:

- отсутствие гарантии надежности о качестве всех неиспытанных изделий из контрольной партии;

- неэкономичность метода, требующего разрушения большого (в объеме страны) количества изделий.

При реконструкции зданий и сооружений зачастую возникает проблема усиления конструкций под новые технологические нужды. Изгибаемые конструкции, как правило, усиливаются путем наращивания или подращивания сечений по всей длине элементов или на их определённых участках. При этом дополнительные слои выполняются из того же материала, что и усиливаемая конструкция, или из другого материала. Для таких составных конструкций также остро стоит вопрос о контроле качества в новом состоянии. Поэтому в настоящее время разработка и совершенствование неразрушающих методов диагностики и контроля качества строительных конструкций из различных материалов, в том числе и составных конструкций, является актуальной научной проблемой.

Наиболее эффективными и перспективными неразрушающими методами являются вибрационные, которые широко используются в машиностроении. Однако в строительстве эти методы практически не применяются. В нашей стране до сих пор отсутствуют государственные стандарты и регламенты на применение вибрационных методов для диагностики состояния и контроля различных физических параметров готовых строительных конструкций. Причиной этому является резкое снижение финансирования государством научных исследований в указанном научном направлении и, как следствие, отсутствие надежного методологического обеспечения, основанного на фундаментальных закономерностях строительной механики и теории сооружений.

В последние десятилетия начали интенсивно развиваться динамические методы диагностики и оценки качества строительных конструкций, в основе которых лежат вибрационные технологии. В большинстве разработанных способов динамическим ,1фитерием оценки качества, конструкций является их основная; (или первая резонансная) частота колебаний. Однако этот параметр является не очень чувствительным ко многим дефектам строительных конструкций особенно железобетонных. Поэтому перед исследователями рассматриваемой проблемы стоит задача поиска новых динамических критериев для диагностики состояния и оценки качества строительных конструкций как в процессе их изготовления, так и в процессе эксплуатации в существующих зданиях и сооружениях. Среди таких динамических критериев заслуживают внимания коэффициенты нелинейных искажений и амплитудной модуляции, которые широко используются для анализа работы и динамических свойств электронных радиотехнических систем.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются конструкции балочного типа из разных строительных материалов, а предметом исследования - методы диагностики и неразрушающего вибрационного контроля качества строительных конструкций и новые динамические критерии оценки их состояния и качества, обладающие повышенной информативностью.

Целью диссертационной работы является разработка и совершенствование вибрационных методов диагностики и контроля качества строительных конструкций с использованием коэффициентов нелинейных искажений и амплитудной модуляции.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- исследовать аналогию между параметрами, характеризующими динамику электрических (радиотехнических) колебательных систем и механических колебательных систем в виде строительных конструкций балочного типа;

- разработать вибрационные способы диагностики состояния и контроля качества строительных конструкций балочного типа с использованием новых для строительных конструкций динамических критериев — коэффициента нелинейных искажений и коэффициента амплитудной модуляции;

- разработать стенды для статических и динамических испытаний железобетонных балок и составных деревянных балок;

- разработать методики практической реализации предложенных спосо- . бов;

- провести экспериментальные исследования^ по динамическому испытанию железобетонных перемычек и деревянных составных балок, выявить закономерности их поведения в зависимости от используемого материала и конструктивных особенностей;

- разработать способы и методики определения количества нагелей в составной балке и жесткости горизонтального шва.

Методы исследования. В ходе проведения теоретических исследований использовались методы аналогий. При подготовке моделей балок для испытаний использовались методы геометрического и физико-механического моделирования строительных конструкций; при проведении экспериментальных исследований и обработке полученных результатов - методы экспериментальной механики и математической статистики.

Достоверность научных положений и результатов подтверждается использованием фундаментальных принципов моделирования строительных конструкций и большим объемом экспериментальных исследований балок из различного материала.

Научная новизна полученных результатов.

При проведении теоретических и экспериментальных исследований получены следующие новые научные результаты:

- предложены новые для строительных конструкций динамические критерии для диагностики состояния и контроля качества конструкций балочного типа — коэффициенты нелинейных искажений и коэффициент амплитудной модуляции;

- разработаны вибрационные способы и методики контроля качества конструкций балочного типа с использованием коэффициентов нелинейных искажений и амплитудной модуляции;

- при проведении экспериментальных исследований с составными деревянными балками установлены физические эффекты, заключающиеся в том, что при постановке нагелей с учетом эпюры поперечных сил жесткость горизонтального шва возрастает. . . ~

Практическая ценность и реализация работы.

Разработанные в диссертации вибрационные способы диагностики состояния и контроля качества строительных конструкций балочного типа могут найти широкое применение как при обследовании зданий и сооружений, так и при контроле качества изготовления конструкций на заводах-изготовителях.

Результаты работы рекомендуется использовать в учебном процессе строительных вузов при изучении дисциплины «Обследование и испытание сооружений».

На защиту выносятся следующие положения и результаты:

- два новых для строительных конструкций динамических критерия для оценки состояния и контроля качества конструкций балочного типа — коэффициент нелинейных искажений и коэффициент амплитудной модуляции;

- два вибрационных способа диагностики и контроля качества балок из любого материала и два способа определения количества нагелей и жёсткости горизонтального шва составных балок;

- методики реализации предложенных способов;

- результаты испытания железобетонных балок и деревянных составных балок.

Апробация работы.

Диссертационная работа выполнялась в рамках двух федеральных программ Минобрнауки Российской Федерации: аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2012 годы)» - проект «Разработка теоретических основ и развитие вибрационных методов диагностики состояния и контроля качества строительных конструкций балочного типа и пластинок», шифр 10201; «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области строительства» по теме «Исследование энерго-ресурсоэффективных конструктивных систем с высоким уровнем конструктивной безопасности и живучести», шифр 2009-1.1-232031.

Основные результаты диссертационной работы обсуждались и докладыва-. лись на студенческих.научных конференциях ОрелГТУв2005.2008 гг.; на. на-';;. учных конференциях профессорско-преподавательского состава ОрелГТУ в 2008.2011 гг.; на Международной научно-технической конференции «Механика неоднородных деформируемых тел:: Методы; модели, решения» (Севастополь, 2004 г.); на общем собрании РААСН «Непрерывное архитектурно-строительное образование как фактор обеспечения качества среды жизнедеятельности». (Москва-Воронеж, 2005 г.); на 3-й Международной выставке и конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (Москва, 2009 г.);

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе: 7 статей (5 — в журналах, рекомендованных ВАК для публикации материалов кандидатских диссертаций), 2 патента на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, общих выводов и списка использованной литературы 98 наименований. Работа изложена на 154 страницах, включая 34 рисунков, 9 таблицы и приложения.