Випробування статичним навантаженням - один з найбільш поширених методів випробування будівельних конструкцій.
Експериментальні дослідження зводяться до вимірювання деформацій, що виникають при застосуванні навантаження. Конструкція деформується в залежності від схеми прикладання і величини зовнішніх сил, технічних характеристик будівельного матеріалу і геометричних характеристик розглянутої конструкції.
Дослідження проводяться відповідно до програми випробувань, яка, як це зазначалося вище, регламентує робочу схему випробувань конструкцій. величини випробувальних навантажень, схеми і порядок їх застосування, розміщення і тип вимірювальних приладів, а також містить вказівки по проведенню випробувань.
1. Робоча схема при випробуванні будівельних конструкцій
Робочої схемою називають статичну схему, яка приймається при випробуванні конструкції. У ній відображаються: умови обпирання та закріплення випробуваної конструкції на опорах, схема прикладання навантажень. Найчастіше робоча схема та ж, яка була прийнята під час складання проекту конструкції. Не виключено прийняття іншої схеми, якщо це викликано змінами роботи конструкції при її посиленні або інших причин. Схема розташування навантажень повинна викликати такий напружений і деформативність стан в конструкції, яке найбільш повно відповідає дійсній її роботі при найбільш невигідних поєднаннях навантаження. У робочій схемі повинна бути приділена особлива увага стійкості елементів конструкції. Неправильне додаток навантаження може викликати втрату стійкості цих елементів, що не відбиває дійсну роботу елемента в розрахунковій схемі. Схема завантажена при випробуванні однопрогонових розрізних плит показана на рис.1. За цією схемою плити завантажують на ділянці, рівній трьом довжинам плити.
Схеми завантаження при випробуванні багатопролітної (нерозрізний) плити зображені на рис.2. В результаті отримують найбільш несприятливі навантаження на плиту. У поздовжньому напрямку плита завантажується на ділянці, рівній трьом її довжинах.
Розміщення навантажень при випробуванні однопрогонових балок з розрізними і нерозрізними плитами дано на рис.3.
При випробуванні ґратчастих конструкцій у вигляді ферм застосовуються різні схеми завантаження, в залежності від конструктивного виконання ферми і реального прикладання навантаження. Якщо потрібно визначити найбільший прогин ферми або максимальних зусиль в стержнях верхнього і нижнього поясів, то ферми всіх обрисів завантажують по всьому прольоту. Для визначення максимальних зусиль в стержнях решітки спочатку ферму завантажують односторонньої навантаженням, а потім довантажують по всьому прольоту.
- На початку проводять пробне навантаження конструкції навантаженням, що не перевищує 25-30% контрольної і здійснюваної в 2-3 етапи. Після необхідної витримки під навантаженням конструкція також поетапно розвантажується до нуля. Робиться це для усунення обтиску вузлів, опор. Далі навантаження прикладається ступенями, складовими 10-20% від контрольного навантаження. Кількість ступенів навантаження до досягнення контрольного навантаження зазвичай приймають рівним 4-6, але один з них повинен відповідати нормативного навантаження, якщо випробування проводять до розрахункового навантаження.
- Після завантаження кожного ступеня дається витримка для загасання деформацій і виробляються відліки за приладами. При такій системі завантаження можна визначити момент появи перших тріщин, простежити процес їх розвитку.
- Після того, як досягнута контрольне навантаження, дається витримка для металевих конструкцій в 30-90 хвилин, для дерев'яних і залізобетонних - 12-48 годин.
- Для металевих конструкцій відліки за приладами слід знімати через 15 хвилин після закінчення завантаження, для залізобетонних - через 12 годин, дерев'яних - через 24 години. Різниця в часі пояснюється тим, що в дереві і бетоні деформації наростають поступово.
- Вимірювання величин навантажень виробляється за допомогою динамометрів, манометрів, а також зважуванням вантажів.
2. Розміщення приладів під час випробування статичним навантаженням
Вибір типів приладів і місць їх установки залежить від цілей і завдань проведених вимірювань. Вимірювальні прилади встановлюються в тих точках і перетинах, переміщення і деформації яких є найбільш характерними для досліджуваної конструкції.
Прогини вимірюються в середині прольоту. Щоб виключити вплив опади опор або їх обтиску на величину вимірюваних прогинів, прогиноміри встановлюються також у опор. Величина прогину визначається за формулою:
Установка трьох прогиномірів виключає також вплив на показання приладів деформацій дроту, так як подовження трьох дротів майже однакові. Якщо потрібно отримати криву прогинів по всій довжині прольоту, прогиноміри встановлюються частіше.
Прилади для вимірювання деформацій (тензометри, індикатори, тензодатчики) встановлюються або наклеюються в тих перетинах, в яких визначаються деформації волокон, а по ним - напруги в стали, бетоні або арматурі. Це перш за все розрахункові перетину.
У залізобетонних балках деформації заміряються в середині прольоту і у опор. Прилади встановлюються в стислій зоні на бетон, а в розтягнутій - на арматуру. При випробуванні балок тензометри розміщуються в основному по верхньому і нижньому поясах, а при випробуванні ферм крім того, на елементах решітки.
У центрально стиснутих або розтягнутих елементах прилади встановлюються по осях симетрії перетинів. У згинаються і позацентрово стиснутих елементах, де деформації по висоті перетину не однакові, вимірювання проводять в декількох точках по висоті перетину.
При необхідності досліджуються також стики конструкцій, місця закладення попереднього напруження арматури, опорні вузли (в арках і фермах).
Постановка індикаторів в торцях конструкції і на кінцях стрижнів дає можливість визначити загальне подовження або вкорочення балок, колон, ферм і інших конструкцій.
Бажано прилади ставити симетрично по обидва боки конструкції. В результаті отримують дублюючі дані.
Кількість приладів залежить від характеру випробувань. При наукових дослідженнях приладів встановлюється більше.
Потрібно пам'ятати, що глибина і широта досліджень не завжди залежить від кількості приладів. Надмірна кількість приладів викликає труднощі при спостереженні за ними, ускладнює обробку отриманих даних і може знизити ефективність випробувань. Слід прагнути до надійної і продуманої схемою розстановки приладів, використовуючи їх в мінімально необхідній кількості.
3. Проведення випробувань будівельних конструкцій статичним навантаженням
Перед початком випробувань проводиться підготовка конструкції, яка зводиться до її очищення, зачистці місць установки приладів, побілки поверхонь для залізобетонної конструкції, спорудження пристосувань для створення навантажень, спорудження страхувальних і робочих риштовання. До підготовчих робіт належать також установка приладів відповідно до робочої схемою, перевірка працездатності системи силового збудження і вимірювання.
Підготовлену до випробувань конструкцію витримують 12-20 годин для спостереження за впливом коливань температури на деформації в конструкції і показання приладів.
Далі виробляються початкові відліки і ведеться навантаження відповідно до програми випробувань. Додаток навантаження здійснюється плавно, без ударів і поштовхів. В процесі випробувань ведуться журнал і відомості випробувань, куди заносяться відліки приладів, дані вимірів тріщин, особливості поведінки конструкції.
Огляд конструкції слід проводити кожен раз після збільшення навантаження на один щабель. При наближенні навантаження до нормативної особливу увагу приділяють виявленню тріщин в бетоні. Якщо вони утворилися, то за ними ведуться спостереження, межі тріщин відзначаються.
За результатами огляду конструкції після випробувань складається акт.
Особливе місце в процесі випробування повинні займати питання техніки безпеки. Найбільш небезпечно для людей випадкове руйнування конструкції. Тому влаштовують страхувальні підмостки, здатні сприйняти на себе вагу обрушивающейся конструкції. Підмостки проектують так, щоб зазори між ними і конструкцією не перешкоджали переміщенням її елементів при випробуванні.
Підмостки для пересування людей повинні бути забезпечені драбинами, поручнями та іншими огородженнями (навіси, козирки).
Тимчасові конструкції і майданчики під вантажі (платформи) повинні бути надійними. Вантажні платформи розташовують на відстані 10-40 см від підлоги.
Дуже важливо захистити випробування від сторонніх осіб. Бажано пристрій дистанційного керування домкратами і приладами.
Особливості випробувань будівельних конструкцій статичним навантаженням експлуатованих або побудованих будівель і споруд полягають в тому, що:
- елементи випробовуються в складі просторових конструкцій без виділення їх у більш прості лінійні або плоскі системи;
- випробування проводяться на місці їх роботи;
- при випробуванні конструкції не доводяться до руйнування;
- часто не вдається виявити проектних матеріалів, тому під час огляду доводиться виробляти ретельні обміри зі складанням креслень;
- під час огляду проводиться огляд конструкцій і фіксуються пошкодження, умови обпирання і ступінь закладення;
- випробування окремих елементів виробляються не до певної заздалегідь навантаження, а до появи в елементах напружень і зусиль, на підставі яких можна дати правильну оцінку їх несучої здатності, жорсткості і тріщиностійкості.
За отриманими при випробуванні будівельних конструкцій даними про величину нормативних і розрахункових навантажень судять про їх відповідно до реально діючими або очікуваними навантаженнями і вирішують питання про необхідність посилення конструкції.
У процесі збільшення навантаження, наприклад, надбудови будівлі, організовується безперервне спостереження за станом конструкцій. Після завершення будівельних робіт рекомендується провести повторні вимірювання тиску в конструкції.
4. Обробка матеріалів випробувань конструкцій навантаженням і оцінка їх стану
Обробка проводиться в два етапи:
- польова обробка показань приладів;
- камеральна обробка матеріалів випробувань.
Польова обробка зводиться до заповнення всіх граф журналу, тобто обчислення кінцевих результатів кожного вимірювання (обчислення прогинів, напруг, модулів пружності). Для кожної точки наносять виміряні величини на заздалегідь побудовані теоретичні криві. Нанесення досвідчених даних на теоретичні криві дозволяє судити не тільки про характер роботи конструкції, але і дає можливість переходу до наступного циклу завантаження.
Камеральна обробка являє собою подальшу обробку отриманих даних для подальшого висновку про стан конструкції. Статистичну обробку отриманих в результаті випробувань даних проводять у відповідності з наступними документами:
Технічний звіт за результатами випробувань статичним навантаженням обов'язково повинен містити:
- програму випробування з обґрунтуванням його необхідності, прийнятої методики і переліком очікуваних результатів;
- попередній розрахунок випробуваної конструкції на випробувальні навантаження з визначенням очікуваних величин зусиль, напружень, прогинів, переміщень і інших даних в заданих програмою точках і перетинах;
- схему випробувального стенду з розміщенням випробуваної конструкції, вимірювальних та контролюючих приладів і апаратури;
- опис ходу випробувань і реєстрацією всіх встановлених в ході випробувань непередбачених особливостей;
- результати випробувань (таблиці, графіки, епюри, фотограмметричні знімки та інші документальні свідчення, отримані в результаті випробувань);
- зіставлення теоретичних і експериментальних даних;
- аналіз і пояснення причин відмінності результатів від теоретичних розрахунків;
- висновки з проведеного випробування будівельних конструкцій, рекомендації та пропозиції;
- додатки (відомості випробувань, обмірювальні креслення випробуваної конструкції, сертифікати на матеріали або акти їх випробувань і інші експериментальні дані).