Assessment of the stress-strain state of building structures by field tests during operation

Vladimir I. Rimshin; Римшин Владимир Иванович; Pavel S. Truntov; Трунтов Павел Сергеевич; Victoria V. Kislova; Кислова Виктория Валерьевна; Ekaterina V. Kislova; Кислова Екатерина Валерьевна

doi:10.25686/2542-114X.2024.1.47

Оценка напряженно-деформированного состояния конструкций здания натурными испытаниями в период эксплуатации

Авторы: Римшин В.И.¹^,2, Трунтов П.С.¹, Кислова В.В.¹, Кислова Е.В.¹
Учреждения:
1. Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет
2. Научно-исследовательский институт строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук
Выпуск: № 1 (2024)
Страницы: 47-57
Раздел: Конструкции
URL: https://bakhtiniada.ru/2542-114X/article/view/296266
DOI: https://doi.org/10.25686/2542-114X.2024.1.47
EDN: https://elibrary.ru/HMOUEX
ID: 296266

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Введение. При проведении технического обследования зданий методика проведения поверочного расчета конструкций, позволяющая смоделировать расчетную схему и проанализировать напряженно-деформированное состояние с целью определения опасных участков и возможности образования силовых трещин, используется давно и доказала свою эффективность. Однако иногда поверочного расчета может быть недостаточно. В статье приведены результаты оценки напряженно-деформированного состояния путем проведения натурного испытания статическим нагружением плиты перекрытия реконструируемого здания с учетом трещин. Испытание проведено в условиях действующего строительства. В настоящее время нормативных документов, регламентирующих проведение натурных испытаний железобетона в эксплуатационном периоде, нет. Но имеются такие нормы для испытания сборных железобетонных изделий в заводских условиях и на испытательных стендах в лабораториях. Для проведения подобных испытаний эксплуатируемых конструкций в каждом конкретном случае необходимо разрабатывать программу работ, являющуюся своего рода исследованием для обоснования корректности и правдоподобности результатов испытания.

Цель исследования – определить напряженно-деформированное состояние плиты перекрытия с учетом трещин, выявленных в ходе технического обследования, путем натурных испытаний статическим нагружением, а также оценить эффективность применения данной методики.

Методы. Настоящее исследование содержит методику и основания для проведения натурного испытания плиты перекрытия. Описаны программа работ, применяемые измерительные приборы и оборудование. Проведен поверочный расчет плиты для получения прогнозируемых результатов испытания. Показаны схема нагружения и материалы, используемые для создания фактической контрольной нагрузки на участке испытания.

Результаты испытания. Приведены качественные и количественные показатели изменения напряженно-деформированного состояния плиты перекрытия в процессе статического нагружения. Сделан вывод о техническом состоянии конструкции в соответствии с действующими нормами. Полученные результаты позволили сделать вывод об эффективности применения описанной методики.

Заключение. Обоснован вывод об эффективности применения методики проведения натурных испытаний строительных конструкций с целью определения напряженно-деформированного состояния.

Ключевые слова

напряженно-деформированное состояние, трещиностойкость, жесткость, натурные испытания, статическое нагружение, прогиб, ширина раскрытия трещин, прогибомер

Полный текст

Введение

Техническое обследование – неотъемлемая часть жизненного цикла зданий и сооружений, проводится как во время строительства, так и в период эксплуатации здания. Основная цель проведения обследования – определение текущего технического состояния строительных конструкций и здания в целом, что, в свою очередь, позволяет сделать вывод о возможности или невозможности его дальнейшей нормальной эксплуатации.

Самым явным и часто встречающимся дефектом при визуальном обследовании железобетонных конструкций являются трещины. Причины появления и развития трещин в железобетоне носят различный характер. Наиболее распространенными из них являются температурно-усадочные деформации при остывании и затвердевании бетона, технологические ошибки, допущенные при бетонировании конструкции, деформации опор, неравномерные осадки фундаментов и грунта основания. Однако самыми опасными являются силовые трещины, вызванные исчерпанием несущей способности по прочности, жесткости и трещиностойкости. Поэтому при обнаружении трещин перед инженерами-обследователями всегда встает трудная задача – определить истинную причину их появления, чтобы принять решение о необходимости усиления или выдаче заключения о работоспособности конструкции.

Зачастую регламентированными в нормативной документации методами невозможно исключить силовой характер образования трещин. Результаты выполненного поверочного расчета лишь с некоторой долей вероятности можно принять достоверными. На заводах-изготовителях сборных железобетонных изделий проводят экспериментальные натурные испытания конструкций статическим и динамическим нагружением по разработанной методике, представленной в государственном стандарте. Но такой методики, официально регламентированной стандартом, для уже возведенных и эксплуатируемых конструкций нет.

В данном исследовании приведено описание применения натурного испытания статическим нагружением монолитной плиты перекрытия реконструируемого здания в период строительства. За основу принята методика, изложенная в ГОСТ 8829-2018.

Цель исследования – определить напряженно-деформированное состояние плиты перекрытия с учетом трещин, выявленных в ходе технического обследования, путем натурных испытаний статическим нагружением и оценить эффективность применения данной методики.

Основание для проведения испытания

Исследование проведено в построечных условиях для монолитной железобетонной плиты перекрытия подземной автопарковки на реконструируемом объекте. Конструктивная схема – каркасно-стеновая, где вертикальными несущими конструкциями являются монолитные стены толщиной 250 мм и колонны сечением 500×500 и 500×800 мм. Плита перекрытия – плоская с капителями колонн, толщиной 300 мм.

В ходе проведения технического обследования выявлены многочисленные трещины по нижней грани плиты перекрытия с шириной раскрытия от 0,05 до 0,3 мм. Поверочный расчет, выполненный с помощью программного обеспечения, реализующего метод конечных элементов, показал, что несущей способности плиты достаточно для восприятия деформаций и усилий. Однако (в силу важности и уникальности строящегося объекта) было принято решение о проведении статических испытаний плиты перекрытия вертикальной нагрузкой.

Методика испытания

Перед началом испытания составлена программа работ, в которой излагается методика и приводится обоснование этапов проведения исследования.

Для сопоставления экспериментальных результатов с теоретическими выполнен расчет плиты с учетом физической нелинейности на действие постоянных и кратковременных проектных нагрузок. По результатам расчета, максимальный прогиб от нормативной нагрузки (без учета собственного веса плиты) на участке испытания составляет 0,69 мм (допустимый – 45 мм). Максимальная ширина раскрытия трещин по верхней грани плиты (на опорных участках) составляет 0,152 мм (0,4 мм – максимально допустимая ширина раскрытия при кратковременном действии нагрузок). При этом, по данным расчета, силовые трещины в растянутой зоне в пролете возникать не должны.

На рисунках 1-2 представлены результаты расчета плиты по трещинообразованию. Для выбранного участка выявлена контрольная нагрузка, равная 8 кН/м².

Рис. 1. Мозаика ширины раскрытия трещин в верхнем слое плиты

Fig. 1. Mosaic of the crack opening width in the upper layer of the plate

Рис. 2. Мозаика ширины раскрытия трещин в нижнем слое плиты

Fig. 2. Mosaic of the crack opening width in the lower layer of the plate

Испытание статическим нагружением предполагает проведение замеров прогибов и ширины раскрытия трещин на контролируемых участках. Измерение прогибов произведено прогибомерами 6-ПАО с ценой деления 0,01 мм, которые устанавливались в точках, где перемещения и деформации являются наиболее характерными для исследуемой конструкции. В нашем случае прогибы измерялись в середине пролета. Чтобы исключить влияние осадки опор на величину измеряемых прогибов, прогибомеры устанавливались также у опор исследуемого участка перекрытия.

На рисунке 3 представлена схема установки прогибомеров. Ширина раскрытия существующих трещин измерялась с помощью гипсовых маяков на 10 наиболее характерных трещинах, установленных на двух участках каждой трещины.

Рис. 3. Схема установки прогибомеров на исследуемом участке плиты перекрытия

Fig. 3. Diagram of the installation of deflection meters on the investigated section of the floor slab

Рисунок 4 иллюстрирует схему установки гипсовых маяков на трещинах. Ширина раскрытия трещин, образовавшихся в процессе испытаний, измерялась микроскопом МПБ-2 с ценой деления 0,05 мм.

Рис. 4. Схема установки гипсовых маяков на трещины исследуемого участка плиты

Fig. 4. Scheme of installation of gypsum lighthouses on cracks of the investigated section of the plate

Непосредственно перед проведением натурного испытания статистическим нагружением выполнены следующие работы:

проверка размеров конструкций, сечений элементов и соединений;
определение толщины защитного слоя бетона в плите перекрытия магнитным методом;
тщательный осмотр поверхности конструкций с фиксацией всех существующих дефектов в ведомости дефектов и на плане перекрытия;
установка гипсовых маяков на десяти наиболее характерных существующих трещинах;
фиксация длины трещин путем засечек на концах трещины.

По результатам освидетельствования ширина раскрытия существующих трещин составила 0,1-0,2 мм. Длина трещин соответствует ширине участка плиты между швом перерыва бетонирования и краем плиты.

Полная расчетная нагрузка, на которую испытывалась плита перекрытия, составляет 808 кН.

Во время испытаний нагрузка прикладывалась ступенями, составляющими 20 % от контрольной нагрузки (по 161,6 кН).

Количество ступеней нагружения до достижения контрольной нагрузки было принято равным пяти. Нагрузка распределялась равномерно по участку испытания плиты согласно схеме загружения (рис. 5).

Рис. 5. Схема загружения плиты перекрытия

Fig. 5. The scheme of loading the floor slab

В качестве нагрузки использовались стальные листы 12×5300×1500 мм, железобетонные блоки 150×600×2200 мм, железобетонные упоры, кирпич, бассейны с водой.

В ходе испытания соблюдалась следующая очередность загружения:

на 1-м этапе на участок перекрытия были нагружены стальные листы 12×5300×1500 мм, железобетонные блоки 150×600×2200 мм, ж/б упоры, кирпич и все 10 бассейнов были наполнены водой на высоту 9,5 см каждый;
на каждом из последующих трех этапов все 10 бассейнов наполнялись водой в объеме 1,616 м³ в каждый (по 22,0 см по высоте бассейна);
на 5-м этапе все 10 бассейнов наполнялись водой на высоту 15,0 см каждый.

До начала загружения были приняты меры по предотвращению обрушения перекрытия. Под перекрытием были установлены регулируемые по высоте страховочные леса с зазором 5-6 см от низа плиты перекрытия.

Результаты испытания

При проведении испытания контрольные замеры ширины раскрытия трещин и показания приборов (прогибомеров) заносились в журнал. На пятом этапе нагружения конструкция выдержана 12 часов. По результатам испытания сделаны следующие выводы:

Ширина раскрытия сквозных трещин в плите, зафиксированных до начала испытаний, не изменилась в процессе испытания плиты нагружением, кроме трещины № 9 (маяк № 18). Увеличение ширины раскрытия трещины № 9 составило 0,05 мм. Ширина раскрытия этой трещины после выдержки плиты с полной нагрузкой в течение 12 часов составила 0,2 мм, что не превышает максимально допустимое значение в соответствии со СП 63.13330.2018 – 0,4 мм. Подтверждается температурно-усадочный и технологический характер этих трещин.
Силовых трещин на нижней и верхней поверхностях плиты в процессе испытания и после выдержки плиты с полной нагрузкой в течение 12 часов не образовалось.
Фактический максимальный прогиб от нагрузки (без учета собственного веса), полученный при испытаниях, составил 0,193 мм в точке П3 и 0,195 мм – в точке П4, что не превышает расчетный прогиб от максимальной нагрузки (без учета собственного веса) – 0,69 мм.
В соответствии с ГОСТ 31937-2011 «Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния», на основании расчета по несущей способности и результатов статического испытания участка плиты нагружением состояние плиты перекрытия оценивается как работоспособное.

Заключение

Проведено натурное испытание плиты перекрытия, имеющей трещины в пролете, путем статического нагружения вертикальной нагрузкой. Испытание осуществлено в условиях строительства, до эксплуатации плиты и нагружения проектной нагрузкой по методике испытания для сборных железобетонных
изделий в заводских условиях и предшествующем опыте аналогичных испы-таний.

При сравнении данных, полученных расчетным путем и в ходе эксперимента, можно сделать вывод, что современные нормативные требования для расчета железобетонных конструкций закладывают большой запас несущей способности по прочности, жесткости и трещиностойкости. В реальности при нагружении плиты контрольной нагрузкой не возникло усилий, достаточных для образования силовых трещин, прогнозируемых по результатам расчета. Из этого можно сделать вывод, что проведения поверочного расчета в ходе технического обследования достаточно для анализа несущей способности конструкции.

Натурные испытания – это трудоемкий, ресурсозатратный и дорогостоящий метод оценки напряженно-деформиро-ванного состояния конструкции. Однако он может быть оправдан при обосновании отказа от усиления конструкции, когда поверочный расчет показывает такую необходимость.

Об авторах

Владимир Иванович Римшин

Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет; Научно-исследовательский институт строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: v.rimshin@niisf.ru

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры жилищно-коммунального комплекса, член-корреспондент РААСН. Область научных интересов – теоретические основы силового сопротивления строительных конструкций зданий и сооружений, подверженных деградационным повреждениям. Расчет и конструирование энергоэффективных конструкций в жилищно-коммунальном хозяйстве и строительстве. Автор более 680 научных публикаций, в том числе 110 работ в системах WOS и SCOPUS, 52 учебников и учебных пособий с грифом Минобрнауки, 32 патента РФ и авторских свидетельств.

Россия, г. Москва; г. Москва

Павел Сергеевич Трунтов

Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет

Email: pavel_truntov@mail.ru

аспирант кафедры жилищно-коммунального комплекса. Область научных интересов – техническое обследование зданий и сооружений, проектирование и непосредственное выполнение работ по реконструкции и ремонту зданий и сооружений, техническая эксплуатация зданий. Автор более 50 научных публикаций.

Россия, г. Москва

Виктория Валерьевна Кислова

Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет

Email: viktoriya_kislova22@mail.ru

магистрант кафедры строительной и теоретической механики. Область научных интересов – комплексное техническое обследование зданий и сооружений, поверочные расчеты конструкций.

Россия, г. Москва

Екатерина Валерьевна Кислова

Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет

Email: katerina22kislova@mail.ru

магистрант кафедры строительной и теоретической механики. Область научных интересов – усиление строительных конструкций.

Россия, г. Москва

Список литературы

Оценка коэффициентов предельных состояний деревянных конструкций на основе теории нечетких множеств / С. В. Федосов, В. Г. Котлов, А. Г. Поздеев, Ю. А. Кузнецова, А. В. Таран // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Материалы. Конструкции. Технологии. 2022. № 2. С. 36-50.
Котлов В. Г., Поздеев А. Г., Кузнецова Ю. А. Интегральный показатель устойчивости деревянных конструкций // Вестник Приволжского территориального отделения Российской академии архитектуры и строительных наук: сборник научных трудов. Нижний Новгород: Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет, 2021. С. 152-159.
Model of stress-strain state of three-layered reinforced concrete structure by the finite element methods / V. D. Tho, E. A. Korol, V. I. Rimshin, P. T. Anh // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. 2022. Vol. 18, no. 2. Pp. 62-73.
Римшин В. И., Кецко Е. С., Трунтов П. С. Этапы технического обследования конструкций административного здания // Жилищное строительство. 2020. № 6. С. 22-28.
Degradation damages survey of the silt reservoir structures / V. I. Rimshin, V. I. Kurbatov, V. T. Erofeev, E. S. Ketsko // Building and Reconstruction. 2022. No. 2 (100). Pp. 65-74.
Автоматизация решения задачи теплопереноса в древесине стропильных конструкций с нагелем методом Лапласа / С. В. Федосов, В. Г. Котлов, А. Г. Поздеев, Ю. А. Кузнецова // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Материалы. Конструкции. Технологии. 2021. № 2. С. 53-63.
Котлов В. Г., Кузнецова Ю. А. Расчет эффективности использования металлических зубчатых пластин для соединения дощатых ферм // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Материалы. Конструкции. Технологии. 2019. № 3. С. 69-80.
Calculating the strengthening of construction structures before the reconstruction of the building / A. N. Neverov, E. S. Ketsko, P. S. Truntov, V. I. Rimshin // Lecture Notes in Civil Engineering. 2022. Vol. 182. Pp. 173-179.
Комплексный подход к контролю качества высокопрочного бетона в период эксплуатации / В. И. Римшин, П. С. Трунтов, Е. С. Кецко, А. С. Нагуманова // Строительные материалы. 2020. № 6. С. 4-7.
Римшин В. И., Анпилов С. М., Трунтов П. С. Исследование несущей способности сборных железобетонных плит с внутренней распоркой // БСТ: Бюллетень строительной техники. 2023. № 6 (1066). С. 27-29.
Римшин В. И., Кецко Е. С., Трунтов П. С. Результаты расчета усиления строительных конструкций здания методом конечных элементов // Вестник Вологодского государственного университета. Серия: Технические науки. 2020. № 4(10). С. 67-78.
Автоматизация жизненного цикла зданий при реконструкции и капитальном ремонте / В. И. Римшин, И. Л. Шубин, В. Т. Ерофеев, А. А. Аветисян // Жилищное строительство. 2022. № 7. С. 6-12.
Экспериментальные исследования изгибаемых железобетонных элементов, имеющих повреждения арматуры вследствие контакта с хлоридной агрессивной средой / В. И. Римшин, Л. А. Сулейманова, П. А. Амелин, А. А. Крючков // Эксперт: теория и практика. 2023. № 3 (22). С. 138-146.
Римшин В. И., Шубин Л. И., Савко А. В. Ресурс силового сопротивления железобетонных конструкций инженерных сооружений // Academia. Архитектура и строительство. 2009. № 5. С. 483-491.
Бондаренко В. М., Римшин В. И. Примеры расчета железобетонных и каменных конструкций: учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Промышленное и гражданское строительство» направления подготовки дипломированных специалистов «Строительство». Москва: Высшая школа, 2006.
Развитие теории деградации бетонного композита / В. И. Римшин, А. А. Варламов, В. Л. Курбатов, С. М. Анпилов // Строительные материалы. 2019. № 6. С. 12-17.
Finite element modeling of the work of bent reinforced concrete elements of rectangular section in the abaqus software environment / P. A. Amelin, V. I. Rimshin, A. A. Kryuchkov, D. V. Obernikhin // Innovations and Technologies in Construction. 2023. Pp. 268-275.
Усиление конструкций здания текстильной промышленности внешним армированием из композитных материалов / В. И. Римшин, В. Л. Курбатов, Е. С. Кецко, П. С. Трунтов // Известия высших учебных заведений. Технология текстильной промышленности. 2021. № 6 (396). С. 242-249.
Compressed reinforced concrete elements bearing capacity of various flexibility / A. L. Krishan, M. A. Astafeva, V. I. Rimshin, I. L. Shubin, A. A. Stupak // Lecture Notes in Civil Engineering. 2022. Vol. 182. Pp. 283-291.
Engineering calculations of acidifier retaining walls during water treatment facilities designing / V. I. Rimshin, P. S. Truntov, I. S. Kuzina, S. I. Roshchina, E. S. Ketsko // Lecture Notes in Civil Engineering. 2022. Vol. 182. Pp. 55-73.
Римшин В. И., Кецко Е. С., Трунтов П. С. Проектные и расчётные решения при проектировании сооружений биологической очистки // Эксперт: теория и практика. 2020. № 6 (9). С. 31-39.
Assessment of the impact of high temperature on the strength of reinforced concrete structures during operation / V. I. Rimshin, V. I. Telichenko, P. S. Truntov, A. L. Krishan, G. S. Bykov // Key Engineering Materials. 2021. Vol. 887. Pp. 460-465.
Research of the degradation process of reinforced concrete structures / A. A. Varlamov, V. I. Rimshin, A. Davydov, A. R. Minnatov, A. M. Kurbatov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2021. Vol. 1079. Pp. 062005.
Eryshev V. A., Karpenko N. I., Rimshin V. I. The parameters ratio in the strength of bent elements calculations by the deformation model and the ultimate limit state method // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. International Science and Technology Conference "FarEastCon 2019". 2020. Pp. 022076.
Deformation models of concrete strength calculation in the edition of russian and foreign norms / N. I. Karpenko, V. I. Rimshin, V. A. Eryshev, L. I. Shubin // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. International Science and Technology Conference "FarEastCon 2019". 2020. Pp. 052043.