Способ неразрушающей оценки и контроля несущей способности и надежности стальных ферм Российский патент 2023 года по МПК G01M5/00 G01N3/12 

Изобретение относится к неразрушающему контролю стальных ферм статической нагрузкой и может быть использовано при обследовании и испытании зданий и сооружений.

Известен способ виброакустических испытаний ферм (RU 2684684 C1, МПК G01M 7/00, опубл. 11.04.2019), включающий возбуждение в стержне вынужденных упругих колебаний с изменяющейся частотой и регистрацию значения частоты его резонансных колебаний. В качестве возбуждаемого выбирают один из легкодоступных стержней верхнего пояса испытываемой фермы, соединяют узлы на концах данного стержня жесткой стяжкой регулируемой длины, повторно регистрируют вышеуказанным образом его резонансную частоту, считают в случае резкого увеличения резонансной частоты стержень дефектным и производят его замену. Далее, путем переноса и регулировки длины данной стяжки поочередно соединяют в узлах концы каждого из труднодоступных стержней нижнего пояса и решетки, граничных с возбуждаемым стержнем при наличии общего с ним узла, повторно для каждого соединения контролируют характер изменения резонансной частоты того же возбуждаемого стержня верхнего пояса. В случае ее заметного увеличения производят отбраковку и замену соответствующего стянутого труднодоступного стержня нижнего пояса или решетки. Выбирают в качестве возбуждаемых последовательно другие легкодоступные стержни верхнего пояса, а при необходимости и решетки, и для каждого из них аналогичным образом повторяют процесс испытаний граничных с ними труднодоступных стержней нижнего пояса и решетки.

Недостатками данного подхода являются низкая достоверность результатов вследствие использования несилового критерия оценки, а также высокая трудоемкость проведения испытаний с необходимостью применения специализированного оборудования.

Известен способ испытаний конструкций (SU 509798 A1, МПК G01L 1/10, опубл. 05.04.1976), заключающийся в том, что в элементе конструкции возбуждают колебания на его собственной частоте и учитывают эту частоту при определении усилий. С целью повышения точности испытаний, длину колеблющейся части элемента ограничивают наложением дополнительных механических связей, после этого измеряют собственную частоту элемента, прикладывают к нему дополнительную нагрузку известной величины, намеряют собственную частоту элемента под этой нагрузкой и, сравнивая эти частоты, судят о величине начальных усилий.

Недостатками данного способа также является низкая достоверность результатов вследствие использования не силового критерия оценки, а также высокая трудоемкость проведения испытаний с необходимостью применения специализированного оборудования.

Наиболее близким изобретением является способ неразрушающего определения несущей способности строительных конструкций (RU №2460057, МПК G01N 3/32, опубл. 27.08.2012), по которому на поверхности испытуемой конструкции определяют места возможных максимальных деформаций. В этих местах испытываемую конструкцию нагружают 5-10 раз механической нагрузкой, не превышающей предельного значения, и определяют величину деформации в этих местах, а о прочности конструкции судят с учетом значений величины деформации. Способ отличается тем, что конструкцию нагружают механической нагрузкой, направленной противоположно собственному весу и весу эксплуатационной нагрузки, тремя ступенями нагружения, измеряют деформации в конструкции при каждом нагружении (устанавливают измерители деформации на верхней и нижней гранях балок, ферм, рам) в опасном и рядом с опасным сечениями, находят положение нейтральной оси в сечении элемента, с помощью измеренных деформаций в опасном сечении (в месте приложения испытательной нагрузки) и с использованием нейтральной оси строят эпюру деформаций в этом сечении. По результатам трех средних значений относительных деформаций ε и соответствующим им нагрузкам F изображают точки в осях координат ε-F строят среднюю прямую зависимости нагрузки от относительной деформации. По оси абсцисс диаграммы откладывают измеренные относительные деформации ε, в качестве предельной деформации используют ее значение, равное 0,05%, которое соответствует пределу упругости материала, до которого диаграмму F(ε) принимают прямой линией. Несущую способность конструкции определяют в виде интервала значений, строят равномерный закон распределения предельной нагрузки как случайной величины по известным значениями, а несущую способность конструкции определяют по заданной вероятности (обеспеченности), как абсциссу в законе распределения с соответствующей обеспеченностью (вероятностью).

Недостатками данного изобретения являются низкая точность и достоверность оценки несущей способности вследствие использования в качестве критерия предельного состояния предельную деформацию, равную 0,05%, что соответствует пределу упругости стали, в то время как элемент или конструкция может получить недопустимые напряжения до наступления предела упругости или же безопасно эксплуатироваться после достижения предела упругости; также нагружение конструкции по направлению противоположному эксплуатационной нагрузке не позволяет выдерживать нагрузку для получения деформаций ползучести.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности и достоверности определения несущей способности стальных ферм на стадии их эксплуатации, оперативная оценка надежности, а также возможность контроля и мониторинга несущей способности и надежности фермы.

Технический результат достигается за счет того, что в выявленные функции зависимости относительной деформации от нагрузки подставляются предельные значения относительной деформации, вычисленные для каждого стержня отдельно (для сжатых стержней - по критерию устойчивости и по критерию предела пропорциональности; для растянутых - по критерию предела пропорциональности), а несущая способность и надежность определяются графически, исходя из зависимостей прогиба фермы от относительной деформации стержней фермы.

Изобретение поясняется графически (фиг. 1):

На фиг. 1 представлены графики подобранных нелинейных функций зависимостей нагрузки F и относительной деформации для трех стержней фермы j=1, 2, 3: и - нижняя и верхняя граничные функции зависимости нагрузки от относительной деформации стержня; графики функций зависимости нагрузки F и наибольшего прогиба фермы f: и - нижняя и верхняя граничные функции зависимости нагрузки от прогиба фермы; 5 ступеней нагрузки: F_i, i=1, 2, …, 5; и - нижнее и верхнее значение предельной нагрузки (как оценки несущей способности фермы); и - нижнее и верхнее значение предельного прогиба фермы; p₅(f) - функция плотности вероятностей прогиба f на 5 ступени нагрузки F; p₅(ε)₁ - функция плотности вероятностей деформаций на 5 ступени нагрузки F для стержня j=1; - нижняя и верхняя границы предельной относительной деформаций для стержней фермы j=1, 2, 3.

Способ заключается в следующем: испытания проводят при отсутствии снеговой нагрузки; перед проведением каждому стержню фермы присваивается номер j=1, 2, …, k.

В середине пролета фермы устанавливают измеритель линейных перемещений (например, индикатор часового типа), а на каждый стержень исследуемой фермы в середине его длины устанавливают измеритель деформации (например, тензорезистор), после чего в узлах фермы, где передается снеговая нагрузка через прогоны, прикладывают испытательную сосредоточенную нагрузку: испытательная нагрузка прикладывается 5 последовательными ступенями - по 10% (F₁), 20% (F₂), 30% (F₃), 40% (F₄) и 50% (F₅) от предельно допустимой нагрузки на ферму , вычисленной теоретически. Каждая ступень испытательной нагрузки выдерживается до стабилизации значений относительных деформаций и линейных перемещений (прогибов), после чего фиксируется значение прогиба f_i, i=1, 2, .., 5, и относительной деформации для каждого элемента ε_i, i=1, 2, … 5, при данной ступени испытательной нагрузки F_i, после чего прикладывается следующая ступень испытательной нагрузки F_i+1. После выдержки пятой ступени нагрузки, испытательная нагрузка снимается, и испытания повторяются, после стабилизации относительных деформаций стержней и прогиба фермы. Испытания повторяют до тех пор, пока на каждой ступени нагрузки не будет получена выборочная совокупность относительных деформаций и прогибов f_i по которой можно установить принадлежность к нормальному закону распределения вероятностей и оценить параметры нормального распределения.

Затем в осях F-ε (ось F вертикально; ось ε горизонтально вправо) откладывают экспериментальные точки для каждого стержня фермы j=1,2,…,k: (F_i; ) и (F_i; ), где - среднее значение относительной деформации при нагрузке F_i; - среднеквадратическое отклонение относительной деформации при нагрузке F_i; - квантиль распределения Стьюдента с доверительной вероятностью ; n - число испытаний на каждой ступени нагрузки i; и на том же графике в осях F-f (ось f горизонтально влево) откладывают экспериментальные точки линейных перемещений: (F_i; ) и (F_i; ), где - среднее значение линейного перемещения фермы при нагрузке F_i; - среднеквадратическое отклонение линейного перемещения фермы при нагрузке F_i; - квантиль распределения Стьюдента с доверительной вероятностью ; n - число испытаний на каждой ступени нагрузки i.

Затем подбирают нелинейные функции для каждого j=1,2,…,k стержня фермы по точкам и по точкам , а также подбирают нелинейные функции для зависимостей нагрузки и линейного перемещения: по точкам и по точкам , используя метод наименьших квадратов.

После чего устанавливают нижнее и верхнее предельные значения относительных деформаций стержней фермы по формулам: для сжатых стержней и , а для растянутых стержней и , где и - нижняя и верхняя границы предельного напряжение стали фермы, соответствующие пределу пропорциональности; - модуль упругости стали фермы; - коэффициент расчетной длины j стержня; - момент инерции сечения j стержня; - площадь поперечного сечения j стержня; - длина j стержня; - относительная деформация j-стрежня фермы от собственного веса и веса конструкции покрытия, вычисленная теоретически.

Затем графически или аналитически из уравнений и вычисляют предельную допустимую нагрузку на ферму в виде интервала [;]. После чего вычисляют предельное значение прогибов из уравнений , откуда находят , и , откуда находят .

После чего испытания завершают, а измеритель линейных перемещений оставляют в установленном месте. Затем с определенной периодичностью снимают показания с измерителя линейных перемещений и сравнивают их с предельными значениями и : если прогиб f меньше , то эксплуатацию фермы продолжают; если прогиб f находится в интервале [; ], то необходимо усилить контроль за эксплуатацией фермы; если прогиб превышает значение , то необходимо экстренно прекратить эксплуатацию фермы с проведением мероприятий по уточнению ее категории технического состояния. Вышеописанные испытания проводят не реже одного раза в пять лет для корректировки графиков, условно изображенных на фиг. 1.

Также определяют надежность фермы по формуле , где и - верхняя и нижняя оценки значения текущего прогиба фермы от эксплуатационной нагрузки; - площадь отсеченной части прямоугольника, построенного по графикам (фиг. 1).

Использование предлагаемого изобретения позволит более достоверно оценить несущую способность и надежность фермы или другой стержневой системы, а также отслеживать во времени уровень безопасности эксплуатации фермы.

Изобретение относится к неразрушающему контролю стальных ферм статической нагрузкой и может быть использовано при обследовании и испытании зданий и сооружений. Сущность: в выявленные функции зависимости относительной деформации от нагрузки подставляются предельные значения относительной деформации, вычисленные для каждого стержня отдельно (для сжатых стержней - по критерию устойчивости и по критерию предела пропорциональности; для растянутых - по критерию предела пропорциональности), а несущая способность и надежность определяются графически исходя из зависимостей прогиба фермы от относительной деформации стержней фермы. В результате испытаний фермы выявляется ее несущая способность в виде интервала предельной нагрузки [;], а также предельный допустимый прогиб в виде интервала [; ]. Также определяют надежность фермы по формуле , где и - верхняя и нижняя оценка значения текущего прогиба фермы от эксплуатационной нагрузки; - площадь отсеченной части прямоугольника, построенного по графикам (фиг. 1). Технический результат: повышение точности и достоверности определения несущей способности стальных ферм на стадии их эксплуатации, оперативная оценка надежности, а также возможность контроля и мониторинга несущей способности и надежности фермы. 1 ил.

Способ неразрушающей оценки и контроля несущей способности и надежности стальных ферм, отличающийся тем, что испытания проводят при отсутствии снеговой нагрузки; перед проведением каждому стержню фермы присваивают номер j=1, 2, …, k, после чего в середине пролета фермы устанавливают измеритель линейных перемещений, а на каждый стержень исследуемой фермы в середине его длины устанавливают измеритель деформации, после чего в узлах фермы, где передается снеговая нагрузка через прогоны, прикладывают испытательную сосредоточенную нагрузку: испытательная нагрузка прикладывается 5 последовательными ступенями – по 10% (F₁), 20% (F₂), 30% (F₃), 40% (F₄) и 50% (F₅) от предельно допустимой нагрузки на ферму , вычисленной теоретически, и каждую ступень испытательной нагрузки выдерживают до стабилизации значений относительных деформаций и линейных перемещений, после чего фиксируют значение прогиба f_i, i=1, 2, …, 5, и относительной деформации для каждого элемента ε_i, i=1, 2, …, 5, при данной ступени испытательной нагрузки F_i, после чего прикладывают следующую ступень испытательной нагрузки F_i+1, а после выдержки пятой ступени нагрузки испытательная нагрузка снимается, и испытания повторяют, после стабилизации относительных деформаций стержней и прогиба фермы, затем в осях F-ε: ось F вертикально, ось ε горизонтально вправо, откладывают экспериментальные точки для каждого стержня фермы j=1, 2, …, k: (F_i; ) и (F_i; ), где – среднее значение относительной деформации при нагрузке F_i; – среднеквадратическое отклонение относительной деформации при нагрузке F_i; – квантиль распределения Стьюдента с доверительной вероятностью ; n – число испытаний на каждой ступени нагрузки i; и на том же графике в осях F-f, ось f направляют горизонтально влево, откладывают экспериментальные точки линейных перемещений: (F_i; ) и (F_i; ), где – среднее значение линейного перемещения фермы при нагрузке F_i; – среднеквадратическое отклонение линейного перемещения фермы при нагрузке F_i; – квантиль распределения Стьюдента с доверительной вероятностью ; n – число испытаний на каждой ступени нагрузки i; а затем подбирают нелинейные функции для каждого j=1, 2, …, k стержня фермы по точкам и по точкам , а также подбирают нелинейные функции для зависимостей нагрузки и линейного перемещения: по точкам и по точкам , используя метод наименьших квадратов, после чего устанавливают нижнее $${\underset{\_}{\epsilon }}_{j,ult}$$ и верхнее $${\overline{\epsilon }}_{j,ult}$$ предельные значения относительных деформаций стержней фермы по формулам: для сжатых стержней $${\overline{\epsilon }}_{j,ult}=\min \left\{\frac{{\overline{\sigma }}_{j,ult}}{E_s}-{\epsilon }_{j,sw}{,}_{}\left(\frac{{\pi }^2}{{\mu }_j{}^2}\right)\frac{J_j}{A_j\cdot l_j{}^2}-{\epsilon }_{j,sw}\right\}$$ и $${\underset{\_}{\epsilon }}_{j,ult}=\min \left\{\frac{{\underset{\_}{\sigma }}_{j,ult}}{E_s}-{\epsilon }_{j,sw}{,}_{}\left(\frac{{\pi }^2}{{\mu }_j{}^2}\right)\frac{J_j}{A_j\cdot l_j{}^2}-{\epsilon }_{j,sw}\right\}$$, а для растянутых стержней $${\overline{\epsilon }}_{j,ult}=\frac{{\overline{\sigma }}_{j,ult}}{E_s}-{\epsilon }_{j,sw}$$ и $${\underset{\_}{\epsilon }}_{j,ult}=\frac{{\underset{\_}{\sigma }}_{j,ult}}{E_s}-{\epsilon }_{j,sw}$$, где $${\underset{\_}{\sigma }}_{ult}$$ и $${\overline{\sigma }}_{ult}$$ – нижняя и верхняя границы предельного напряжение стали фермы, соответствующие пределу пропорциональности; – модуль упругости стали фермы; – коэффициент расчетной длины j стержня фермы; – момент инерции сечения j стержня; – площадь поперечного сечения j стержня; – длина j стержня; – относительная деформация j-стрежня фермы от собственного веса и веса конструкции покрытия, вычисленная теоретически; затем графически или аналитически из уравнений и вычисляют предельную допустимую нагрузку на ферму в виде интервала [;], после чего вычисляют предельное значение прогибов из уравнений , откуда находят , и , откуда находят , после чего испытания завершают, а измеритель линейных перемещений оставляют в установленном месте, после чего в процессе дальнейшей эксплуатации фермы с определенной периодичностью снимают показания с измерителя линейных перемещений и сравнивают их с предельными значениями и : если прогиб f меньше , то эксплуатацию фермы продолжают; если прогиб f находится в интервале [; ], то усиливают контроль за эксплуатацией фермы; если прогиб превышает значение , то экстренно прекращают эксплуатацию фермы с проведением мероприятий по уточнению ее категории технического состояния, при этом вышеописанные испытания проводят не реже одного раза в пять лет, также определяют надежность фермы по формуле: $$P=1-\frac{A_{failure}}{\left({\overline{f}}_{ult}-{\underset{\_}{f}}_{ult}\right)\left({\overline{f}}_{real}-{\underset{\_}{f}}_{real}\right)}$$, где $${\overline{f}}_{real}$$ и $${\underset{\_}{f}}_{real}$$ – верхняя и нижняя оценки значения текущего прогиба фермы от эксплуатационной нагрузки; $$A_{failure}$$ – площадь отсеченной части прямоугольника, построенного по графикам.