Совершенствование определения трещиностойкости железобетонных конструкций методом акустической эмиссии

Национальный университет "Львовская политехника.

Министерство образования и науки Украины.

Стишки Павел Михайлович.

УДК 624.012.35: 620.179.17.

Совершенствование определения трещиностойкости.

железобетонных конструкций методом акустической эмиссии.

05.23.01 Строительные конструкции, здания и сооружения.

диссертации на соискание ученой степени.

кандидата технических наук.

Диссертация является рукописью.

Работа выполнена на кафедре "Строительные конструкции и мосты" Национального университета "Львовская политехника" Министерства образования и науки Украины.

Научный руководитель: | Кандидат технических наук, доцент.

Коваль Петр Николаевич.

Национальный университет "Львовская политехника.

доцент кафедры "Строительные конструкции и мосты.

Официальные оппоненты: | доктор технических наук, профессор.

Барашиков Арнольд Яковлевич.

Киевский Национальный университет строительства и архитектуры, зав. кафедры "Железобетонные и ка деревянные конструкции.

кандидат технических наук, доцент.

Шмиг Роман Андреевич.

Львовский государственный аграрный университет.

доцент кафедры "Строительные конструкции.

Ведущая организация: | Государственный Научно-исследовательский институт строительных конструкций.

Защита состоится "24" октября 2003 в 14 часов на заседании диссертационного совета К35.052.11.у Национальном университете "Львовская политехника" по адресу: 79013, г. Львов, ул. С. Бандеры, 12, ауд .226 главного корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального университета "Львовская политехника" по адресу: г. Львов, ул. Профессорская, 1.

Автореферат разослан "23" сентября 2003 года.

диссертационного совета К35.052.11. П. Петрушин.

Общая характеристика работы.

Актуальность темы. В Украине с 1 декабря 1997 введены в действие "Норманые документы по вопросам обследований, паспортизации, безопасной и надежной эксплуатации производственных зданий и сооружений ". Техническое состояние зданий и сооружений в соответствии с этими документами необходимо определять с помощью диагностики, которая осуществляется путем сочетания взаимосвязи связанных и взаимодополняющих обследовательских, расчетных и аналитических процедур.

Железобетонные конструкции склонны к хрупкому разрушению, то есть к разрушению из-за распространения дефектов типа трещин. Процесс разрушения при этом не происходит мгновенно с момента образования трещины и до начала ее критического роста проходит определенное время. Поэтому своевременное выявление таких дефектов является важной задачей, и, вместе с тем, сложной проблемой.

Одним из перспективных методов в прогнозировании ресурса конструкций и сооружений являются методы механики разрушения, но применение этих методов требует знания координат местоположения дефекта, его формы и размеров, знания напряженного состояния и механических свойств материала в области дефекта. Поэтому использование методов механики разрушения наиболее целесообразно вместе с интегральными методами, которые реагируют на активизацию того или иного дефекта с сопутствующими признаками, например, излучением упругих волн, вызванных перемещениями дислокаций, появлением их опасных концентраций в каком-нибудь месте конструкции, возникновением и развитием трещин. К этой группе необходимо в первую очередь отнести метод акустической эмиссии (АЭ). Акустическая эмиссия это явление, заключающееся в излучении упругих волн в твердых телах при их деформации. Совершенствование методов диагностики железобетонных конструкций с помощью метода акустической эмиссии является важной и актуальной задачей.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Работа выполнялась в соответствии с планом госбюджетной темы №6902 / 21 (№ госрегистрации 0102U001185) "Разработать методику диагностики автодорожных мостов с использованием метода акустической эмиссии" от 1 марта 2002 Государственнойслужбой автомобильных дорог Украины и госбюджетной темы №6953 (№ госрегистрации 0103U001353) "Исследование напряженно-деформированного состояния элементов мостовых конструкций методом акустической эмиссии" от 2 января 2003 с Государственным дорожным научно-исследовательским институтом им. М.П.Шульгина.

Целью работы усовершенствования определения трещиностойкости железобетонных конструкций методом акустической эмиссии, а также создание банка экспериментальных данных методики диагностики бетонных и железобетонных конструкций с использованием метода акустической эмиссии.

· исследовать процессы трещинообразования бетонных и железобетонных конструкций при различных типах работы и на разных этапах нагрузки.

· выявить закономерности процесса излучения АЭ бетонами различных составов при заданных условиях нагрузки, его н связи с процессами трещинообразования.

· выявить н связь между излучением АЕ и изменением НДС.

· разработать методику испытания и определения состояния натурных бетонных и железобетонных конструкций с использованием метода АЭ.

Об объект исследований бетонные и железобетонные элементы строительных конструкций.

Предмет исследований бетонные образцы и железобетонные балочные конструкции.

Методы исследований предусматривали использование экспериментальных испытаний бетонных и железобетонных элементов с применением, на базе действующих нормативов, специально разработанных устройств для обеспечения регистрации приложенной нагрузки и сигналов АЭ. Использовались тензометрические (ЦТК-1) и ультразвуковые (УК-14П) методы исследований, а также метод АЭ (Акеми-1.

Научная новизна полученных результатов.

· методика испытания и определения состояния бетонных и железобетонных конструкций с использованием метода АЭ.

· комплексные экспериментальные лабораторные исследования работы бетонных и железобетонных конструкций с использованием метода АЭ, которые включают.

- определение напряженийь микроразрушения R0crc, микротрищиноутворення Rcrc, макротрищиноутворення по излучению сигналов АЭ при сжатии, изгибе и раскалывании бетонных образцов.

- исследования трещиностойкости бетона по силовой схеме внецентренного растяжения дисковых образцов и ее н связь с параметрами АЭ.

- анализ процесса излучения АЭ при деформации бетона и арматуры.

- выявление н связи параметров АЭ - излучения с характеристиками трещиностойкости и НДС железобетонных конструкций.

· опытное применение разработанной методики для оценки состояния конструкции с использованием метода АЭ на реальных об объектах.

Практическое значение полученных результатов заключается в разработке методики определения состояния бетонных и железобетонных конструкций методом АЭ, и внедрение метода АЭ в систему неразрушающих методов исследования натурных строительных конструкций.

Внедрение результатов работы. Разработана методика исследования бетонных и железобетонных конструкций с использованием метода АЭ была применена при исследовании двух автодорожных мостов через р.Захидний Буг на Государственной границе между Украиной и Польшей, железобетонного автодорожного моста через р.Стара Рика в с. Русское поле Закарпатской области, железобетонного автодорожного моста через Прут в с.Мыкулычин Ивано-Франковской области, при испытании дымовой железобетонной трубы Яворивского государственного горно-химического предприятия "Сера.

Личный вклад соискателя.

· комплексные экспериментальные исследования бетонных и железобетонных конструкций с использованием как традиционных методов исследования, так и метода АЭ.

· опытное применение разработанных методик оценки состояния конструкции с использованием метода АЭ на реальных об объектах.

Диссертация содержит лишь те научные результаты, полученные лично диссертантом. Постановка задач и обсуждения результатов исследований выполнены совместно с научным руководителем, к.т.н. доцентом Ковалем П.М.

Апробация результатов диссертации. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на украинском межотраслевых научно-практических семинарах "Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации сооружений на путях сообщения" (г.Киев 1998, 2000, 2002 г.), Второй всеукраинской научно-технической конференции "Аварии на зданиях и сооружениях и их предупреждение "(г. Киев 1999г.), международной конференции" Budownictwo i inzynieria srodowiska "(Польша, г. Жешув 2000г.), Всероссийской научно-практической конференции" Реконструкция зданий и сооружений. Опыт и проблемы "(г. Киев 2001г.), 63 научно-практической конференции в КНУСА (г. Киев 2002г.), IX Международная конференция" Trwale I bezpieczne nawierzchnie drogowe "(Польша, г. Кельце 2003г.

Публикации. Основные научные результаты по теме диссертации опубликованы в 18 печатных работах, из них в специальных профессиональных изданиях, включенных в перечень ВАК Украины - 15.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников из 172 наименований, 5 приложений. Работа изложена на 185 страницах, в том числе содержит 152 страницы основного текста, из них 33 полных страниц с рисунками и таблицами, 18 страниц списка использованной литературы, 10 таблиц и 90 рисунков, 38 страниц приложений.

Основное содержание работы.

Введение содержит обоснование актуальности темы, сформулированы цели и задачи исследований, приведены основные научные результаты, показано их практическое значение в области строительства.

Первый раздел рассматривает современное состояние проблемы исследования. Изучением трещиностойкости бетона, арматуры и железобетона занималось много специалистов как в бывшем СССР, так и за рубежом. Среди них Барашиков А.Я. Берг О.Я. Бриджмен П. Волков С.Д. Гвоздев А.А. Гладышев М. Гузеев Е.А. Зайцева Ю.В. Залесов А .С. Клименко Ф.Е. Лучко И.И. Мурашов В.И. Пирадов К.А. рюш Г. и др. Методы лабораторного исследования микротрищиноутворення при натурныхх исследованиях строительных конструкций, наталкиваются на ряд препятствий вследствие трудоемкости данных методов и сложности их применения в крупноразмерных конструкций, а также в случае осложненного доступа к ней. Оценка прочности и трещиностойкости бетонных и железобетонных конструкций с использованием механики разрушения невозможна без надежных обработанных методик определения критериев, характеризующих старт и развитие магистральной трещины. Помочь в этом может применения метода акустической эмиссии. Метод АЭ обеспечивает нахождения и регистрации только тех дефектов, которые развиваются и влияют на конструктивную прочность. Дефекты, не меняют своих параметров под рабочей нагрузкой, не проявляют акустической активности и могут быть отнесены к конструктивным особенностям. Это позволяет значительно сократить о объем ремонтных работ, повышает надежность об объекта и может принести значительный экономический эффект.

Первые работы о применении метода АЭ в исследовании конструкционных материалов с появились в 1967 1968 годах. Исследованием занимались Андрейкив А.Е. Апл Ф. Бжелетич Д. Буйле С.И. Варе, Вергекс К. Гарингтон Г. Герберберих В. Гулевский И.В. Гусев А.В. Данеган Х. Дробот Ю.Б. Игл Д. Карлайл Д. Клима, Коллакот Г. Коннорс Д. Лазарев А.Н. Лиманс, Лидовиц Х. Мендизаде П. Митчел Д. Морес К. Мортон Т. Однопозов Л.Ю. Павловский, Почтовик Г.Я. Роутер В. Синклер А. Скальский В.Р. Скотт В. Смирнов В.И. Смиф С. Тельман А. Трипалин А.С. Функе, Харис Д. Хартбауер К. Хаттон П. Холодный В.И. шипы В.В.

Изучение сигналов АЭ дает информацию о развитии трещин. В большинстве работ по АЕ, отмечается качественное изменение характера излучения АЭ в материале конструкций и модельных образцах при различных этапах их работы. Так, некоторыми авторами сделан вывод, что о моменте образования трещины по результатам АЭ-испытания можно судить по моменту качественного изменения характера излучения АЭ. Но использование этого подходав может привести к ошибочным выводам на практике, в н связи с тем, что последние предусматривают увеличение нагрузки ступенями, а не непрерывно, как это принято в лабораторных исследованиях. Этих недостатков не содержит методика оценки опасности процессов разрушения по параметрам АЭ Филоненко С.Ф. основанный на подходах термокинетических природы разрушения твердых тел.

Проведенный литературный поиск использования метода АЭ в исследовании натурных строительных железобетонных конструкций свидетельствуют о том, что в настоящее время не имеет обработанных и надежных методик определения НДС конструкций и их трещиностойкости.

Сформулированы цели и задачи исследования.

Второй раздел содержит описание методики исследования бетонных и железобетонных образцов с использованием традиционных методов исследования и метода АЭ.

Согласно задачами исследования была разработана программа комплексных испытаний бетонных и железобетонных конструкций семи типов изготовленных из п пяти серий тяжелого бетона, которые отличались между собой составом и прочностью. Программа содержит проведения восьми серий экспериментальных исследований бетонных, арматурных и железобетонных образцов: бетонных кубов размерами 100100100мм, призм 150150600 мм, призм 100100400 мм, бетонных дискообразных образцов 500мм, стержней рабочей арматуры железобетонных балок и железобетонных балок размерами 2100200100мм. Прочностные и деформативные характеристики бетонов и арматуры определяли согласно действующих методик нормативных документов.

Во время испытания бетонных кубов на сжатие (марка КС) определяли кубиков прочность образцов и проводили регистрацию сигналов АЭ.

При испытании бетонных призм размером 150150600мм на осевое сжатие (марка ПР) исследовали НДС, определяли модуль упругости и коэффициент поперечных деформаций бетонов. Деформации призм определяли на всех четырех гранях по показаниям микроиндикаторив часового типа. Проводили измерения времени прохождения ультразвука через массив бетона призмы с выпользовании прибора УК-14П. В ходе исследования регистрировали сигналы АЭ, которые возникали, с помощью программно-технического комплекса "Акеми.

Во время испытания бетонных кубов размером 100100100 на раскалывание (марка КС) определяли прочность бетона образцов на раскалывание и проводили регистрацию сигналов АЭ.

При испытании бетонных призм размером 150150600мм по схеме чистого изгиба (марка ПРЗ) измеряли деформации исследуемых образцов с использованием тен6зорезисторив, проводилось измерение прогибов, определение времени прохождения ультразвуковой волны через бетон образцов с использованием прибора УК-14П, и регистрация сигналов АЭ.

В процессе исследований бетонных призм размером 100100400мм на изгиб (марка ПМ) измеряли раскрытия трещины в вершине концентратора, прогиб образца и проводили регистрацию сигналов АЭ.

При испытании дискообразных образцов по силовой схеме внецентренного растяжения (марка дБ) исследовались характеристики трещиностойкости бетона образцов, и проводили регистрацию сигналов АЭ.

Испытания рабочей арматуры класса А-III, диаметром 12 мм, длиной 250 мм проводили по методике ГОСТ 12004-81. При испытании арматуры регистрировали сигналы АЭ.

Железобетонные балки (марка Б) испытывались в возрасте 460-500 дней по схеме чистого изгиба. Испытания проводили на силовом стенде двумя сосредоточенными силами, расположенными в третьем пролета. Загружали образцы степенями по следующей схеме: первые три степени - по 30% Рcrc, следующие три - 10% Рcr, остальные, вплоть до физического разрушения по 20% Рcr. Выдержка нагрузки на каждой ступени составляла 15 мин, после чего снимали отсчеты с приборов. Общее время продолжительности степени составлял 50 минут. При испытании проводили определение прогибов балки под нагрузкой. Фибровые деформации бетона балки замеряли, используя тензорезисторы с базой 50 мм в комплекте с измерительным прибором ЦТК-1, и механический компаратора. Измерения времени прохождения ультразвука через массив балки испонувалы путем поверхностного прозвучивания ультразвуковым компаратором из комплекта УК-14П. При испытании балок исследовали сигналы АЭ, возникающие в конструкции с помощью программно-технического комплекса "Акеми". Датчик АЭ через слой акустически прозрачного масла "Рамзай" устанавливали на нижней грани балки и прижимали к ней резиновой лентой. Запись акустической эмиссии проводили в два этапа: при погрузке и выдержки на каждой степени. Ширину раскрытия трещин определяли с помощью микроскопа МПБ-2 с ценой деления 0,05мм. Измерения проводили на каждой ступени нагружения с момента появления трещин, к нагрузке равного 0,7-0,8 от разрушительного.

Для анализа излучения сигналов АЭ принято параметры, наиболее часто использовались исследователями явления АЕ: энергия Е сигнала АЭ mv2c, амплитуда сигнала mv, накопления сигналов АЭ Nc, накопления энергии Е сигналов АЭ mv2c, параметр Кр (степень изменения плотности энергии сигнала). интенсивность излучения сигналов АЭ Nc / с, продолжительность события АЕ mkc.

Третий раздел содержит анализ процесса излучения сигналов АЭ при исследовании бетонных и железобетонных конструкций.

AE при испытании опытных образцов анализировали по следующим параметрам: продолжительность событий, амплитуда и энергия сигналов, накопления сигналов и энергии, интенсивность АЕ, параметр Кр. При этом определяли нагрузки, при которых возникала АЕ, и анализировали ход процесса излучения АЭ в зависимости от величины нагружающего усилия. Проведено сравнение числовых значений анализируемых параметров сигналов АЭ, возникающие при испытании образцов, как в целом по сериям, так и между отдельными образцами "близнецами.

Изменение напряженного состояния бетона исследуемых образцов, а именно следующие уровни трещинообразования как появление микроруйнувань, микро и макротрещин отражается на характере накопления событий АЭ и их энергии, а также сопровождается повышением энергетических характеристик сигналов АЭ, в частности энергии сигналов. при испытанины образцов одной серии наблюдается значительный разброс числовых значений количества сигналов АЭ (N) и их энергий (Е). Разброс параметра Кр, зафиксированный в опытах, дает возможность его использования для выявления макротрещин (рис.1.

Рис. 1. Гистограмма распределения значений параметра Кр сигналов АЭ при испытании кубов марки КС.

Четвертый раздел содержит результаты проведенных экспериментальных исследований.

Характер протекания излучения сигналов АЭ при непрерывного нагрузки бетонных кубов на сжатие (марка КС) позволяет установить уровень напряжений микротрищиноутворення Rсrс. Анализ осуществляли графически по кривым накопления энергии и сигналов АЭ. Для большей достоверности анализа поиск уровней напряжений микротрищиноутворення Rсrс осуществлялся как за накоплением сигналов АЭ, так и за накоплением их энергии. На графиках зафиксировано места изменения характера течения процесса излучения (рис.2.

Рис.2. Совмещенные графики зависимости напряжений и: а накопление количества сигналов АЭ (N.