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

Мұқаба

Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Аннотация

Introduction. Engineers nowadays encounter a variety of contentious scenarios when doing a technical inspection of a building. Determining the type of cracks that have been found in reinforced concrete structures is one example of this. The process of doing the structural verification calculation, which enables the design scheme to be simulated and the stress-strain state to be analysed to find potentially risky areas and force cracks, has been used for a long time and has proved its effectiveness. However, in some cases, the verification calculation may not be sufficient. This article presents the results of an assessment of the stress-strain state by conducting a full-scale static loading test of the floor slab of the reconstructed building, taking into account the cracks identified during the technical inspection of the building. The test was carried out in the conditions of the current construction. The execution of full-scale testing on reinforced concrete during the operational period is not currently governed by any regulatory documents. However, there exist guidelines for evaluating precast concrete objects in manufacturing settings and on laboratory test benches. In order to conduct such tests on operating constructions, in each specific case it is necessary to develop a work programme, which is a kind of research to substantiate the correctness and plausibility of the test results.

The aim of research is to determine the stress-strain state of the floor slab, taking into account the cracks identified during the technical inspection, by full-scale static loading tests, as well as to evaluate the effectiveness of this method.

Materials and methods. This study contains a methodology for conducting full-scale testing of the floor slab. The justification of the basis for performing a full-scale test of the floor slab is given. The work programme, measuring instruments, and equipment used are described. A calibration calculation of the plate was carried out to obtain the predicted test results. The description of the loading scheme and the materials used to create the actual control load at the test site are given.

Research results. Qualitative and quantitative indicators of changes in the stress-strain state of the floor slab during static loading are given. The conclusion is made about the technical condition of the structure in accordance with current regulations. It was possible to draw conclusions about the efficacy of the technique outlined based on the field test findings.

Conclusion. A summary is provided of the study's findings. The effectiveness of testing building structures on a large scale to ascertain their stress-strain condition is concluded.

Толық мәтін

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:

  1. 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.
  2. Силовых трещин на нижней и верхней поверхностях плиты в процессе испытания и после выдержки плиты с полной нагрузкой в течение 12 часов не образовалось.
  3. 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.
  4. 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.

×

Авторлар туралы

Vladimir Rimshin

National Research Moscow State University of Civil Engineering; Research Institute of Building Physics of the Russian Academy of Architecture and Building Sciences

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: v.rimshin@niisf.ru

Doctor of Engineering Sciences, Professor of the Department of Housing and Communal Complex, Corresponding Member of the RAASN. Research interests – theoretical foundations of force resistance in building constructions subject to degradation damage. Calculation and design of energy-efficient structures in housing and communal services and construction. Author of more than 680 publications, including 110 works indexed in WoS and SCOPUS, 52 student manuals approved by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation, 32 patents for inventions of the Russian Federation.

Ресей, Moscow; Moscow

Pavel Truntov

National Research Moscow State University of Civil Engineering

Email: pavel_truntov@mail.ru

postgraduate student. Research interests – technical inspection of buildings and structures; design and direct execution of works on reconstruction and repair of buildings and structures; technical operation of buildings. Author of more than 50 publications.

Ресей, Moscow

Victoria Kislova

National Research Moscow State University of Civil Engineering

Email: viktoriya_kislova22@mail.ru

Master student of the Department of Structural and Theoretical Mechanics. Research interests – complex technical inspection of buildings and structures, verification calculations of structures.

Ресей, Moscow

Ekaterina Kislova

National Research Moscow State University of Civil Engineering

Email: katerina22kislova@mail.ru

Master student of the Department of Structural and Theoretical Mechanics. Research interests – reinforcement of building structures.

Ресей, Moscow

Әдебиет тізімі

  1. Fedosov S. V., Kotlov V. G., Pozdeev A. G., Kuznetsova Yu. A., Taran A. V. Estimation of coefficients of limit states of wooden structures based on the theory of fuzzy sets. Bulletin of the Volga State University of Technology. Series: Materials. Constructions. Technologies. 2022;(2):36-50. (In Russ.).
  2. Kotlov V. G., Pozdeev A. G., Kuznetsova Yu. A. Integral indicator of the stability of wooden structures in the collection. Bulletin of the Volga Territorial Branch of the Russian Academy of Architecture and Building Sciences: collection of scientific papers. Nizhny Novgorod; 2021:152-159. (In Russ.).
  3. Vu Dinh Tho, Korol E. A., Rimshin V. I., Pham Tuan Anh. Model of stress-strain state of three-layered reinforced concrete structure by the finite element methods. International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. 2022:18(2):62-73.
  4. Rimshin V. I., Ketsko E. S., Trunov P. S. Stages of technical inspection of administrative building structures. Housing construction. 2020;(6):22-28. (In Russ.).
  5. Rimshin V. I., Kurbatov V. L., Erofeev V. T., Ketsko E. S. Degradation damages survey of the silt reservoir structures. Building and Reconstruction. 2022;(2):65-74.
  6. Fedosov S. V., Kotlov V. G., Pozdeev A. G., Kuznetsova Yu. A. Automation of solving the problem of heat transfer in wood of rafter structures with a nagel by the Laplace method. Bulletin of the Volga State University of Technology. Series: Materials. Constructions. Technologies. 2021;(2):53-63. (In Russ.).
  7. Kotlov V. G., Kuznetsova Yu. A. Calculation of the efficiency of using metal toothed plates for connecting plank farms. Bulletin of the Volga State University of Technology. Series: Materials. Constructions. Technologies. 2019;(3):69-80. (In Russ.).
  8. Neverov A. N., Ketsko E. S., Truntov P. S., Rimshin V. I. Calculating the strengthening of construction structures before the reconstruction of the building. Lecture Notes in Civil Engineering. 2022;182:173-179.
  9. Rimshin V. I., Truntov P. S., Ketsko E. S., Nagumanova A.S. An integrated approach to quality control of high-strength concrete during operation. Building materials. 2020;(6):4-7. (In Russ.).
  10. Rimshin V. I., Anpilov S. M., Truntov P. S. Investigation of the bearing capacity of prefabricated reinforced concrete slabs with an internal spacer. BST: Bulletin of construction machinery. 2023;(6):27-29. (In Russ.).
  11. Rimshin V. I., Ketsko E. S., Truntov P. S. The results of calculating the reinforcement of building structures by the finite element method. Bulletin of the Vologda State University. Series: Technical Sciences. 2020;(4):67-78. (In Russ.).
  12. Rimshin V. I., Shubin I. L., Yerofeev V. T., Avetisyan A. A. Automation of the life cycle of buildings during reconstruction and major repairs. Housing construction. 2022;(7):6-12. (In Russ.).
  13. Rimshin V. I., Suleymanova L. A., Amelin P. A., Kryuchkov A. A. Experimental studies of bent reinforced concrete elements with reinforcement damage due to contact with an aggressive chloride medium. Expert: theory and practice. 2023;(3):138-146. (In Russ.).
  14. Rimshin V. I., Shubin L. I., Savko A. V. Resource of force resistance of reinforced concrete structures of engineering structures. Academia. Architecture and construction. 2009;(5):483-491. (In Russ.).
  15. Bondarenko V. M., Rimshin V. I. Examples of calculation of reinforced concrete and stone structures a textbook for students of higher educational institutions studying in the specialty "Industrial and civil engineering" areas of training of certified specialists "Construction". Ser. For higher education institutions. Construction. Moscow; 2006. (In Russ.).
  16. Rimshin V. I., Varlamov A. A., Kurbatov V. L., Anpilov S. M. Development of the theory of degradation of concrete composite. Building materials. 2019;(6):12-17. (In Russ.).
  17. Amelin P. A., Rimshin V. I., Kryuchkov A. A., Obernikhin D. V. Finite element modeling of the work of bent reinforced concrete elements of rectangular section in the abaqus software environment. Innovations and Technologies in Construction. 2023:268-275.
  18. Rimshin V. I., Kurbatov V. L., Ketsko E. S., Trunov P. S. Reinforcement of structures of the textile industry building by external reinforcement of composite materials. Izvestia of higher educational institutions. Technology of the textile industry. 2021;(6):242-249. (In Russ.).
  19. Krishan A. L., Astafeva M. A., Rimshin V. I., Shubin I. L., Stupak A. A. Compressed reinforced concrete elements bearing capacity of various flexibility. Lecture Notes in Civil Engineering. 2022;182:283-291.
  20. Rimshin V. I., Truntov P. S., Kuzina I. S., Roshchina S. I., Ketsko E. S. Engineering calculations of acidifier retaining walls during water treatment facilities designing. Lecture Notes in Civil Engineering. 2022;(182):55-73.
  21. Rimshin V. I., Ketsko E. S., Trunov P. S. Design and calculation solutions for the design of biological treatment facilities. Expert: theory and practice. 2020;(6):31-39. (In Russ.).
  22. Rimshin V. I., Telichenko V. I., Truntov P. S., Krishan A. L., Bykov G. S. Assessment of the impact of high temperature on the strength of reinforced concrete structures during operation. Key Engineering Materials. 2021;887:460-465.
  23. Varlamov A. A., Rimshin V. I., Davydov A., Minnatov A. R., Kurbatov A. M. Research of the degradation process of reinforced concrete structures. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2021;1079:062005.
  24. 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". 2020:022076.
  25. Karpenko N. I., Rimshin V. I., Eryshev V. A., Shubin L. I. Deformation models of concrete strength calculation in the edition of russian and foreign norms. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. International Science and Technology Conference "FarEastCon 2019". 2020:052043.

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар
Әрекет
1. JATS XML
Жүктеу
2. Fig. 1. Mosaic of the crack opening width in the upper layer of the plate

Жүктеу (76KB)
Метадеректер
3. Fig. 2. Mosaic of the crack opening width in the lower layer of the plate

Жүктеу (64KB)
Метадеректер
4. Fig. 3. Diagram of the installation of deflection meters on the investigated section of the floor slab

Жүктеу (80KB)
Метадеректер
5. Fig. 4. Scheme of installation of gypsum lighthouses on cracks of the investigated section of the plate

Жүктеу (148KB)
Метадеректер
6. Fig. 5. The scheme of loading the floor slab

Жүктеу (280KB)
Метадеректер

© Vestnik of Volga State University of Technology. Series "Materials. Constructions. Technologies", 2024

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».