книги из ГПНТБ / Аронов Р.И. Испытание сооружений учеб. пособие

Р. И. АРОНОВ

Испытание сооружений

Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебного пособия для студентов инженерно-строительных специальностей вузов

МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА» 1974

ЧИТАК’- .,ОГС ЗАЛ*_1

Рецензенты:

кафедра металлических конструкции и испытании сооружении Ленинградского инженерно-строительного института (зав. кафедрой канд. техн. наук проф. В. И. Крыжановский);

канд. техн. наук М. К. Сафарян.

© Издательство «Высшая школа» 1974 г.

РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ

Вводная часть

ГЛАВА I

ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ РАБОТЫ СООРУЖЕНИЙ *

§1. Требования к сооружениям и оценка их работы

Клюбому сооружению предъявляются следующие требования:

1)все сооружения, а также отдельные его элементы должны быть прочны и устойчивы, т. е. должна быть обеспечена несущая способность сооружения;

2)перемещения элементов не должны выходить за пределы,

обусловленные возможностью и удобством эксплуатации; 3) не должны возникать трещины и повреждения, нарушающие

возможность нормальной эксплуатации или снижающие долговеч­ ность сооружения.

В то же время не должны допускаться и излишние запасы как в отношении марок применяемых .материалов, так и в отношении се­ чений отдельных элементов и в конструктивной схеме сооружения в целом.

При оценке состояния и работы сооружения необходимо иметь в виду:

условность расчетных схем и возможные отклонения их от дей­ ствительных;

условность ряда расчетных характеристик материалов; . возможность отклонений от расчетных значений нагрузок; влияние внешней среды, не учитываемое в обычных расчетах. От правильного учета этих факторов часто зависит общая оцен­

ка, даваемая состоянию и работе исследуемого объекта.

§ 2. Условность расчетной схемы

При назначении расчетной схемы любого сооружения проекти­ ровщику приходится учитывать два противоположных требования: с одной стороны, расчетная схема должна возможно ближе соот­ ветствовать реальным условиям работы сооружения и наиболее

* Под термином «сооружение» в данном курсе, так же как и в «статике сооружений», понимается любой строительный объект, безотносительно к его кон­ фигурации, конструкции и назначению. «Сооружение» в данном случае противо­ поставляется «механизму».

5

полно учитывать все действующие факторы; с другой стороны, же­ лательно, чтобы расчетная схема была по возможности проста.

Стремясь удовлетворить последнему требованию, часто отбра­ сывают отдельные второстепенные факторы, не имеющие решаю­ щего значения, и заменяют, как показано на нижеприведенных примерах, действительные условия работы сооружения некоторой упрощенной расчетной схемой.

Применение электронных вычислительных машин (ЭВМ) дает возможность более строго выбирать расчетные схемы. Однако ус­ ложнение расчетной схемы должно быть оправдано эксперименталь­ ными данными, иначе не всегда достигается ожидаемое уточнение расчета. Соответствующий случай освещен в примере 2.

Пример 1. Расчет металлической фермы (рис. 1). Стержневые фермы рас­ считываются обычно в предположении шарнирного соединениясходящихся эле­ ментов. Между тем концы стержней крепятся к фасонкам, что ведет к появлению дополнительных напряжений. Эти напряжения, вообще говоря, могут быть учте­ ны расчетным путем, но такие расчеты трудоемки и их делают лишь в редких случаях, тем более, что дополнительные напряжения от заделки стержней снима­ ются при развитии пластических деформаций в соединениях и на несущую спо­ собность сооружения в целом практически не влияют.

Рис. 1. Влияние жесткости узлов на деформации элементов фер­ мы:'

а —геометрическая схема и нагрузка; б — очертание деформированных элементов трех левых панелей при идеально шарнирных соединениях и с

При оценке действительных условий работы фермы и в особенности при ее испытании под нагрузкой этот фактор играет уже существенную роль: пока фер­ ма работает упруго, жесткость соединений уменьшает прогибы и частично осевые усилия в стержнях. После перехода в пластическую стадию отмечается обратное

явление.

6

Влияние рассматриваемого фактора необходимо учитывать также при изме­

рениях и оценке остаточных прогибов фермы.

Пример 2. Учет заделки колонны. При расчетах конструкций колонн их ниж­ нее сечение рассматривается обычно или как жестко заделанное, или как шар­ нирно закрепленное.

Жесткая заделка считается обеспеченной, если арматурые стержни железо­ бетонной колонны стыкованы с выпусками арматуры фундамента.

Но монолитное соединение колонны с фундаментом не исключает возмож­ ности их совместного поворота. Действительно, при внецентренном приложении

Для оценки этого явления необходимо знать характеристики грунта, которые в каждом отдельном случае должны быть определены экспериментально. Суще­ ственно далее, что действие рассматриваемого фактора может меняться в про­ цессе эксплуатации; так, например, изменение влажности грунта под фундамен­ том или длительная передача вибраций влияет на деформативные характеристи­ ки грунта, а следовательно, и на работу всей конструкции в целом. Все это не может быть достаточно четко установлено расчетным путем и для выявления действительных условий работы сооружения приходится прибегать к натурным испытаниям.

Ограничиваясь вышеприведенными примерами, отметим, что условные допущения могут быть найдены почти в любой расчетной схеме. Поэтому, как при проектировании, так и при проверке рабо­

7

ты сооружения в натуре, крайне важно правильно оценить: идут ли сделанные допущения в запас прочности или уменьшают его и в ка­ кой степени их влияние должно сказываться на определенных рас­ четом усилиях, напряжениях и деформациях по сравнению с факти­ чески возникающими в процессе эксплуатации.

§ 3. Условность расчетных характеристик

3-1. Отклонения фактических значений от нормативных

В расчетах при установлении усилий и напряжений исходят, как известно, из нормативных характеристик нагрузок и материалов с введением (по СНиПу) соответствующих поправок на статисти­ чески возможные их отклонения.

Между тем, при проверке состояния и работы сооружений и оценке их несущей способности приходится иметь дело с действи­ тельными характеристиками материалов и нагрузок, которые могут иногда существенно отклоняться от нормативных. Указания по установлению фактического их значения приводятся ниже.

3-2. Отклонения от основных рабочих гипотез

вотношении материалов

Вкурсах «Сопротивление материалов», «Теория упругости и пластичности» и других расчетных дисциплинах, материал в подав­ ляющем большинстве случаев считается сплошным, однородным и изотропным. При оценке действительных условий работы конструк­ ций приходится считаться с отклонениями от этих гипотез.

Нарушения сплошности материала. Кроме видимых трещин и

повреждений, выходящих на поверхность материала и доступных непосредственному осмотру, не менее часто приходится иметь дело с внутренними («скрытыми») дефектами — трещинами, пустотами, посторонними включениями, требующими специальных приемов для их обнаружения и исследования (см. ниже раздел второй).

Кроме обычных макротрещин, приходится учитывать появление и развитие микротрещин, раскрытие которых составляет иногда до­ ли микрона, но тем не менее они могут оказать существенное влия­ ние на работу материала.

Так, в металле микротрещины могут появляться еще в упругой стадии работы материала в целом в результате сдвигов и пласти­ ческих деформаций отдельных зерен (кристаллитов). При небла­ гоприятных условиях микротрещины, например на границах между зернами, постепенно увеличиваясь, могут оказаться первопричиной уже более серьезных нарушений сплошности материала.

В бетоне микротрещины появляются еще в пределах расчетных нагрузок и должны быть учтены для правильной оценки поведения конструкции в целом.

Неоднородность материала в большей или меньшей степени присуща всем строительным материалам. Даже сталь, являющаяся

8

с точки зрения ее макроструктуры одним из наиболее однородных материалов, по своей микроструктуре неоднородна; зерна и про­ слойки феррита, перлита и других ее составляющих обладают, как известно, отличными друг от друга физико-механическими свойст­ вами, размерами, ориентировкой и т. д.

Резко неоднороден по своей структуре бетон, состоящий из це­ ментного камня с различными по размерам и свойствам заполни­ телями. Различны строение и физико-механические характеристики слоев древесины и т. п.

Анизотропность материала, т. е. переменность физико-механиче­ ских свойств по различным направлениям в одной и той нее точке, появляется как неизбежное следствие несплошности и неоднород­ ности материала. В еще большей степени анизотропия обусловли­ вается технологическими процессами. Бетон анизотропен вдоль и поперек направления уплотнения. Металл вдоль и поперек проката также может отличаться по своим электромагнитным и механиче­ ским характеристикам и т. д.

Со всеми этими факторами приходится считаться при оценке напряженного состояния материала в испытываемых конструкциях.

3-3. Неоднородность работы составных сечений

При расчете сечений из совместно работающих элементов («па­ кетов») и сечений, составленных из различных материалов (наприімер, армированных элементов), исходят обычно из предположения их слитной работы.

Между тем, дефекты и несовершенства соединений, недостаточ­ ная связь между разнородными материалами (а иногда и не вполне удачный выбор их физико-механических параметров) нередко обусловливают появление внутренних сдвигов, искажающих рас­ пределение усилий и напряжений по сравнению с расчетными. По­ этому действительные условия работы составных сечений требуют уточнений путем соответствующих испытаний.

§ 4. Изменения в работе сооружения во времени

4-1. Переменность внешних воздействий

Переменность силовых воздействий, например от крановой на­ грузки, от усилий, возникающих при работе машин и динамически действующего оборудования и т. п., как правило, учитывается в рас­ четах (часто лишь приближенно — в случае отсутствия у проекти­ ровщика соответствующих точных данных).

Однако переменные воздействия оказывают на сооружения и иные факторы, не всегда в должной мере отражаемые в расчетах.

Так, температуре наружного воздуха свойственны, как известно, годовые и суточные колебания. При этом в материалах с малой теплопроводностью, например в бетоне, возникают тепловые волны, постепенно проникающие в глубь элементов. Неравномерное рас­ пределение температуры создает в материале неравномерное же

9