ВВЕДЕНИЕ Общая характеристика работы
Актуальность темы. При изготовлении строительных и машиностроительных конструкций, строительстве объектов промышленного и гражданского назначения, создании различных машин, обследовании зданий и сооружений, подлежащих реконструкции, особое место уделяется вопросам контроля качества строительных конструкций и изделий в процессе изготовления, а также диагностике их состояния в процессе эксплуатации. Для контроля основных параметров качества строительных конструкций, характеризующих их прочность, жесткость и устойчивость, в настоящее время нормативными документами Федерального агентства Российской Федерации по строительству и жилищно-коммунальному хозяйству рекомендуются проведение выборочных разрушающих испытаний, которые являются неэффективными и не обеспечивают достоверности результатов контроля. Поэтому разработка новых методов неразрушающего контроля, интегрально характеризующих качество строительных конструкций, является весьма актуальным научным направлением исследований в теории сооружений и в области управления качеством строительной продукции. Среди перспективных методов неразрушающего контроля качества особое место занимают экспериментально-теоретические методы, в основу которых положены вибрационные технологии.
Вибрационные методы контроля качества в области строительства в нашей стране практически не используются, нет даже государственных нормативных документов на их применение. Одной из основных причин, объясняющих такое положение, является отсутствие строгого теоретического и методологического обоснования возможности применения вибрационного метода, базирующегося на фундаментальных закономерностях строительной механики.
6
Профессором В.И. Коробко установлена одна из таких закономерно- стей в строительной механике, согласно которой существует функциональная связь между жесткостью упругих конструкций и их основной частотой колебаний. Им и его учениками показаны некоторые возможности использования этой закономерности для контроля прочности и жесткости строительных и машиностроительных конструкций. Однако эти возможности далеко не исчерпаны. Поэтому представляется целесообразным проведение более глубоких исследований по выявлению возможностей использования этой закономерности для контроля жесткости конструкций различного вида с использованием двух видов их деформирования.
В строительстве и машиностроении наиболее распространенными конструктивными элементами являются балки и плиты (пластинки). При разработке различных способов диагностики и контроля качества таких конструкций широко используются методы физико-механического и геометрического моделирования. Для конструкций балочного типа они применяются достаточно широко, чего нельзя сказать о плитных конструкциях, поскольку вопросы моделирования граничных условий для них являются наиболее трудоемкими и технически сложно реализуемыми.
В настоящее время для решения задач технической теории пластинок, разработан новый эффективный инженерный метод определения интегральных характеристик - метод интерполяции по коэффициенту формы (МИКФ), основанный на физико-геометрической аналогии физических характеристик пластинок с интегральной характеристикой формы области - коэффициентом формы. Для практического его использования при разработке новых способов контроля качества конструкций в виде пластинок необходимо построить аппроксимирующие функции, которые ограничивают область возможного распределения интегральных характеристик. Однако указанные аппроксимирующие функции построены не для всего множества областей из-за отсутствия соответствующих решений в известной научной и справочной литературе, в частности, не построены граничные кривые для четырехугольных пластинок с комбинированными граничными условиями (комбинация условий
7 шарнирного опирания и жесткого защемления по контуру).
Эту проблему можно решить с помощью экспериментальных методов, проведя серию испытаний соответствующих пластинок, и на основе полученных данных достроить неопределенные участки аппроксимирующих функций. При таком подходе используемая комбинация экспериментального и теоретического метода позволит достичь важного практического результата.
В связи с построением аналитических зависимостей, связывающих интегральные параметры конструкций, характеризующих их качество, с динамическими параметрами, появилась возможность приборной реализации вибрационных методов контроля на основе современной электронной и микропроцессорной техники. Реализация этой задачи требует обобщения всех достижений в этой области и подготовки технического задания для конструкторов приборов.
Цель исследования заключается в разработке экспериментально-теоретического метода определения интегральных физических характеристик строительных и машиностроительных конструкций в виде пластинок сложного вида и сложными граничными условиями, а также метода моделирования и контроля жесткости таких конструкций, основанных на совместном использовании двух видов деформирования моделей.
Поставленная цель предполагает решение следующих задач:
1 Разработка экспериментально-теоретического метода определения интегральных физических характеристик пластинок сложной формы и сложными граничными условиями, основанного на геометрическом моделировании формы области и экспериментальном построении аппроксимирующих функций, ограничивающих распределение всего множества интегральных физических характеристик пластинок.
2 Построение аппроксимирующих функций, ограничивающих область распределения интегральных физических характеристик для шарнирно опертых пластинок треугольных и четырехугольных форм на примере определения основной частоты колебаний пластинок.
8
3 Проведение теоретических и экспериментальных исследований аналогии между задачами деформирования пластинок и кручения тонкостенных труб с целью ее использования для оценки точности экспериментальных методов, основанных на изопериметрических свойствах формы пластинок и сечений скручиваемых стержней.
4 Разработка метода моделирования и контроля жесткости пластинок сложного вида и сложными граничными условиями, основанного на использовании двух видов деформирования моделей с использованием вибрационных технологий.
5 Решение тестовых задач по контролю интегральных физических и геометрических характеристик строительных конструкций в виде пластинок треугольной, параллелограммной и трапециевидной форм.
6 Экспериментальная проверка разработанных методов определения интегральных физических характеристик пластинок, а также их моделирования и контроля и контроля жесткости.
7 Разработка основных требований и структурной схемы микропроцессорного прибора, предназначенного для определения параметров качества строительных и машиностроительных конструкций на основе вибрационных технологий.
Методы исследования. В работе использованы фундаментальные методы теории сооружений и расчета строительных конструкций, методы физико-механического и геометрического моделирования, метод интерполяции по коэффициенту формы, а также экспериментальные методы и методы математической статистики.
Достоверность научных положений и полученных результатов подтверждается их сравнением с известными результатами, найденными с помощью фундаментальных методов теории сооружений и строительной механики, а также с результатами проведенных экспериментальных исследований.
9 Научная новизна работы состоит в следующем.
1 Разработан экспериментально-теоретический метод контроля интегральных физических характеристик строительных и машиностроительных конструкций в виде пластинок сложного вида и сложными граничными условиями, основанный на использовании изопериметрических свойств и закономерностей изменения коэффициента формы пластинок при их геометрическом моделировании.
2 С использованием изопериметрической закономерности изменения коэффициента формы пластинок построены аппроксимирующие функции для кривых, ограничивающих распределение всего множества значений основной частоты колебаний шарнирно опертых пластинок в виде произвольных треугольников и четырехугольников.
3 Разработана методика определения интегральных характеристик пластинок сложной формы и сложными граничными условиями с помощью предложенного экспериментально-теоретического метода.
4 Выявлена аналогия в задачах поперечного изгиба, свободных колебаний пластинок и кручения тонкостенных труб с постоянной толщиной стенки между интегральными физическими характеристиками пластинок и геометрической жесткостью кручения труб.
5 Разработан метод моделирования и контроля жесткости пластинок сложного вида и сложными граничными условиями с использованием двух видов деформирования моделей, граничные условия и форма которых выполняются в упрощенном виде.
Практическая ценность работы заключается в следующем.
1. Экспериментально-теоретический метод и методика контроля интегральных физических характеристик строительных и машиностроительных конструкций в виде пластинок сложного вида и сложными граничными условиями, а также метод моделирования и контроля жесткости таких конструкций могут использоваться в проектной практике, при диагностике и контроле качества таких конструкций и при проведении научных исследований в области разработки способов расчета пластинок.
10
2 Методика по реализации предложенных в диссертации методов может дополнительно лечь в основу разрабатываемых микропроцессорных приборов для диагностики и контроля качества строительных и машиностроительных конструкций, основанных на использовании вибрационных технологий.
Научные положения, выносимые на защиту:
- экспериментально-теоретический метод определения интегральных физических характеристик строительных и машиностроительных конструкций в виде пластинок сложного вида и сложными граничными условиями, основанный на использовании геометрического аналога интегральных харак-
'*' теристик;
- методика реализации предложенного экспериментально-теоретического метода;
- метод моделирования и контроля жесткости пластинок сложного вида и сложными граничными условиями с использованием двух видов деформирования моделей, основанный на функциональной связи жесткости пластинок и основной частоты их колебаний;
- результаты экспериментальных исследований по определению основной частоты колебаний пластинок в виде правильных треугольников и ромбов и геометрической жесткости трубчатых сечений.
Апробация работы. Результаты исследований, приведенные в диссертации, докладывались в 1996...2003 гг. на научно-технических конференциях Орловского государственного аграрного университета и Орловского государственного технического университета, а также на IV-ом Всероссийском семинаре «Проблемы оптимального проектирования сооружений» (Новосибирск, 2002) и Международных научно-технических конференциях: «Эффективные строительные конструкции: Теория и практика» (Пенза, 2002); «Архитектура и строительство XXI века» (Орел, 2002); «Проблемы и перспективы развития строительства в XXI веке» (Магнитогорск, 2002), вторых международных академических чтениях «Новые энергосберегающе архитектурно- конструктивные решения жилых и гражданских зданий» (Орел, 2003).
11
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 научных работ и получен один патент на изобретение.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация изложена на 135 страницах машинописного текста и состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы, включающего 128 наименований. В работе приведено 33 рисунка и 11 таблиц.
Во введении излагается общая характеристика диссертационной работы (обоснование актуальности, научной и практической ценности, методологии исследований), формулируются положения, выносимые на защиту, рассматривается структура работы.
В первой главе приводится краткий аналитический обзор состояния вопроса о развитии разрушающих и неразрушающих методов контроля качества и диагностики состояния строительных и машиностроительных конструкций. Рассматриваются теоретические основы изопериметрического метода и метода интерполяции по коэффициенту формы для исследования двумерных задач в теории упругости. Указывается их место среди приближенных методов исследования двумерных задач теории упругости, рассматриваются возможности и перспективы применения этого метода для интегральной оценки параметров, характеризующих качество строительных и машиностроительных конструкций (прочность, жесткость и устойчивость).
Во второй главе приводятся основные понятия о коэффициенте формы выпуклой области, анализ и сопоставление графических зависимостей коэффициента формы и интегральных параметров пластинок от некоторых геометрических характеристик для треугольных и параллелограммных областей. Показано, что эти графики имеют характерные кривые, которые подобны и ограничивают распределение всего множества интегральных физических характеристик для треугольных и параллелограммных областей. Причем для треугольных областей - это равнобедренные и прямоугольные треугольники, а для параллелограммных областей - это ромбы и прямоугольники. Поскольку аналитического описания указанных границ для треугольных и ромбиче-
12
ских областей со сложными граничными условиями в научной литературе практически нет, то предлагается построить их путем проведения экспериментальных исследований. Излагается сущность предлагаемого экспериментально-теоретического метода определения и контроля интегральных физических параметров пластинок сложного вида и сложными граничными условиями, а также методика его реализации.
В третьей главе рассматриваются вопросы экспериментального определения основной частоты колебаний пластинок и геометрической жесткости трубчатых сечений в виде равнобедренных треугольников и ромбов. Рассматривается комплекс средств измерений при испытании моделей, методика проведения экспериментов, их результаты и обработка этих результатов. Приводятся примеры решения некоторых тестовых задач, связанных с использованием построенных граничных аппроксимирующих функций.
В четвертой главе рассматриваются вопросы развития вибрационного метода для моделирования и контроля жесткости упругих пластинок сложной формы и сложными граничными условиями и использование функциональной связи максимального прогиба с основной (или первой резонансной) частотой колебаний. Приводится теоретическое уточнение решения о функциональной связи максимального прогиба и основной частоты колебаний. Разрабатывает метод контроля жесткости конструкций в виде пластинок сложной формы и сложными граничными условиями с помощью испытания моделей упрощенной формы и однородными граничными условиями с использованием двух видов деформирования. Проводится экспериментальная проверка этих способов и анализ результатов эксперимента.
В этой же главе приведены обобщенные требования к электронному микропроцессорному прибору для реализации вибрационных способов при экспериментальном определении интегральных параметров строительных и машиностроительных конструкций, разработана его структурная схема, как приложение к заданию на проектирование и изготовление такого прибора.
В заключение работы сформулированы основные выводы по результатам проведенных исследований.
13
I АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР РАБОТ ПО ПРОБЛЕМЕ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ И МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
1.1 Разрушающие методы
Разрушающие методы контроля качества строительных конструкций предполагают выявление предельной несущей способности определенной выборки изделий из контролируемой партии путем доведения их до разрушения [37, 39, 48, 62, 66, 86, 89, 90]. В настоящее время разрушающие методы испытаний путем статического нагружения конструкций широко используются в строительной индустрии и, в частности, для контроля прочности, жесткости и трещиностойкости железобетонных конструкций серийного изготовления. Контроль, как правило, осуществляется выборочно. С этой целью отбирают для испытаний изделия в соответствии с указаниями технической документации, но не менее:
- 2 шт. перед началом массового изготовления и в дальнейшем при изменении конструкции изделия или технологии изготовления, а также в случае замены материалов, например, крупного заполнителя;
- 1 % изделий от каждой партии, но не менее 2 шт., если размер партии меньше 200 шт.
Испытания конструкций производят по схемам опирания и загружения, устанавливаемым в технологической документации на данный вид изделий. Обычно изделия испытывают в том положении, в каком они будут работать в сооружении. При этом опорные устройства для испытания изделий должны соответствовать схеме опирания конструкции, принятой при их расчете. При испытании балочных конструкций одну из опор следует выполнять шарнирно подвижной, а другую шарнирно неподвижной, как показано на рисунке 1.1. При испытании конструкций, рассчитанных как консоль, один конец ее должен быть жестко защемлен (рисунок 1.2).
14
L/2
U2
1 ~ испытуемая конструкция, 2 —распределительная балка,
3, 5 — шарпирно неподвижные опоры испытуемой и распределительной балок,
4, 6 — шарнирно подвижные опоры этих балок
Рисунок 1.1 - Схема испытания балки на двух опорах
1 — испытуемая конструкция,
2, 3 — нижняя и верхняя шарнирно
неподвижные опоры, 4 - анкерная тяга
Рисунок 1.2. - Схема испытания защемленной консоли
Для прямоугольных плит, работающих в двух направлениях, необходимо выполнять опорные устройства таким образом, чтобы они допускали возможность свободного поворота конструкций на шарнирных опорах и возможность горизонтального перемещения трех ее опор относительно четвертой неподвижной стороны (рисунок 1.3). Для этого шарнирно подвижные опоры выполняются обычно шаровыми или Катковыми. Так же реализуются граничные условия шарнирного опирания и для плит более сложного очертания.
15
б)
а — плита оперта по четырем углам, б - плита оперта по контуру 1 — шар, 2 — каток,
3 - неподвижная опора,
4 - испытуемая плита
Рисунок 1.3 - Схема устройства опор плиты
Конструкции испытывают на специальных испытательных стендах, обеспечивающих возможность приложения нагрузки по заданной схеме опирания и загружения с погрешностью не более ±5 % от контрольных нагрузок. При передаче сосредоточенной нагрузки через распределительную балку она должна опираться на испытуемую конструкцию не более чем в двух местах. При этом одна из опор распределительной балки должна допускать возможность свободного перемещения вдоль нее (рисунок 1.1).
Плоские конструкции (плиты, настилы и панели) испытывают равномерно распределенной нагрузкой. В качестве такой нагрузки могут использоваться: сжатый воздух, штучные грузы в виде металлических или бетонных блоков (плиток), баки с водой, ящики с сыпучим материалом (песок, щебень, чугунная дробь) и т.п.
При испытании конструкций контролируют те параметры, которые необходимы для оценки их жесткости, трещиностойкости и прочности (нагрузки, вызывающие заданное предельное состояние, максимальные прогибы, величину раскрытия трещин, разрушение). Контрольные параметры устанавливаются и указываются в стандартах, технических условиях или рабочих чертежах на каждый вид конструкций.
Максимальный прогиб и углы поворота определяют с помощью прогибо-меров индикаторного типа (рисунок 1.4).
16
У////////////////,
'\-¦'"¦"""'¦
1 - индикатор,
2, 4-устройство для крепления индикатора,
3 - конец арматуры
Рисунок 1.4 - Схема установки индикатора на торце испытуемой панели для измерения смещения концов арматуры
Нагрузки определяют по показаниям силоизмерительной аппаратуры (по давлению масла в гидравлической системе, по давлению воздуха в пневматической системе нагружения, по массе штучных или сыпучих грузов).
Порядок загружения конструкции указывается в проекте и проводится с соблюдением следующих требований:
- нагрузку следует прикладывать ступенями (долями), каждая из которых не должна превышать 10 % контрольной нагрузки при проверке прочности [Рпр] и трещиностойкости [Рсгс] и 20 % контрольной нагрузки при проверке жесткости [Pw];
- на каждой ступени нагружения нагрузка во всех точках ее приложения должна возрастать пропорционально одному параметру;
- при испытании конструкций, в которых не допускаются трещины в стадии эксплуатации, после приложения нагрузки 0,9[Рсгс] каждая последующая доля нагрузки вплоть до момента появления трещин должна быть не более 5 % от этой контрольной нагрузки: АР =0,05[Рсгс].
После приложения каждой ступени нагрузки конструкцию выдерживают под нагрузкой не менее 10 минут. После приложения контрольной нагрузки при проверке жесткости конструкцию выдерживают не менее 30 минут. Конструкцию, в которой не допускается появление трещин в стадии эксплуатации, после приложения контрольной нагрузки при проверке жесткости также выдерживают под нагрузкой не менее 30 минут. Во время выдержки конструкции под нагрузкой тщательно осматривают ее поверхность, фиксируют появляющиеся
17
трещины, измеряют максимальный прогиб и осадку опор, ширину раскрытия « трещин и смещение арматуры относительно бетона на торцах конструкции.
Ширину раскрытия трещин, нормальных к продольной оси конструкции, измеряют на уровне нижнего ряда арматуры, а ширину раскрытия трещин, наклонных к продольной оси конструкции, - в местах их максимального раскрытия. Ширину раскрытия трещин измеряют измерительными лупами или микроскопами с ценой деления не более 0,1 мм. Для улучшения фиксации момента появления трещин в бетоне поверхности конструкций перед испытанием покрывают раствором мела или извести.
При испытании конструкций на прочность полная контрольная нагрузка [РПр]» включающая их собственную массу, принимается равной нагрузке, вызывающей в наиболее опасных сечениях усилия, равные максимальным усилиям от расчетной нагрузки, умноженной на некоторый коэффициент С. Этот коэффициент назначается в зависимости от возможного характера разрушения испытуемой конструкции и указывается в нормативных документах.
При проверке жесткости конструкции контрольная нагрузка [Pw], включая ее собственную массу, принимается равной расчетной нагрузке, при которой вычислены контрольные прогибы этой конструкции.
<Ь' При проверке трещиностойкости конструкций величину контрольной
нагрузки [РСгс] принимают такой, при которой в проверяемых сечениях конструкций возникают максимальные усилия, соответствующие усилиям, полученным расчетным путем с учетом совместного действия постоянных, длительных и кратковременных нагрузок.
На чертежах всех предварительно напряженных железобетонных конструкций должны быть приведены контрольные нагрузки для проверки их жесткости и трещиностойкости в возрасте 3,7, 14, 28 и 100 суток.
Партия конструкций считается годной, если результаты испытаний отобранных конструкций удовлетворяют всем требованиям по прочности, жесткости и трещиностойкости. |
