Оценка прочности бетонных конструкций с помощью испытания физической нагрузкой

Оценка прочности бетонных конструкций может быть выполнена с помощью метода испытания физической нагрузкой. Оценка прочности может требоваться время от времени для различных применений бетонных конструкций. Процедура испытания бетонной конструкции физической нагрузкой рассматривается в этой статье.

Оценка прочности бетонных конструкций с помощью испытания физической нагрузкой

Представленная здесь процедура испытания бетонных конструкций под нагрузкой зависит от главы 20 стандарта ACI -2008. В случае сомнений в отношении требований безопасности конструкции, лицензированный специалист по проектированию или строительный чиновник может запросить оценку прочности.
В начале рассматриваются методы, более простые, чем испытание под нагрузкой, и испытания под нагрузкой можно избежать, если все вовлеченные стороны удовлетворены результатом такой оценки.
Испытание бетонной конструкции на нагрузку требуется для определения работоспособности конструкции, когда наличие / влияние недостатка прочности и меры по его устранению не полностью известны или когда отсутствуют необходимые размеры и свойства материала для анализа.
Испытание под нагрузкой обычно не проводится до тех пор, пока возраст части конструкции, подвергаемой нагрузке, не достигнет 56 дней. Испытание может быть проведено в более раннем возрасте только при согласии владельца конструкции, подрядчика и всех вовлеченных сторон.
Испытание физической нагрузкой больше подходит для выяснения сомнений относительно прочности на сдвиг или прочность связи, но может также использоваться для проверки недостатков, связанных с изгибом или осевой нагрузкой. Желательно сравнить результаты нагрузочного испытания с результатами анализа.

Если в качестве средства оценки прочности для конкретного проекта решено провести нагрузочное испытание, то первым шагом должно быть решение и согласование всеми участвующими сторонами области, подлежащей нагружению, величины нагрузки, процедуры испытания физической нагрузкой и критериев приемки.
Для конструкции со значительным износом рекомендуется проводить периодические повторные оценки, даже если конструкция выдерживает испытание нагрузкой.
Если сомнения в безопасности части или всей конструкции связаны с ухудшением состояния, и если наблюдаемая реакция во время испытания физической нагрузкой удовлетворяет критериям приемки, конструкции или части конструкции разрешается оставаться в эксплуатации в течение определенного периода времени.
Периодические повторные оценки обычно проводятся в конце каждого указанного периода. Другим вариантом поддержания конструкции в рабочем состоянии является ограничение нагрузки под напряжением до уровня, который считается подходящим.
Период времени между очередными осмотрами основывается на характере проблемы, воздействии окружающей среды, характере нагрузки и истории эксплуатации сооружения, программе ремонта и технического обслуживания, а также объеме и масштабах осмотра. После каждой оценки здание признается пригодным к эксплуатации только на определенный период.
Иногда бетонная конструкция, считающаяся неполноценной, проходит нагрузочное испытание. Эта путаница или недоразумение вызваны консервативным проектированием бетонных конструкций, дополнительной арматурой для борьбы с усадкой, растрескиванием и тепловыми эффектами, консервативными теориями проектирования, завышенными нагрузками, повышенной прочностью бетона и разнонаправленным распределением нагрузок, не учитываемым в обычных проектах.

1. Расстановка нагрузок для испытания бетонных конструкций физической нагрузкой

a) Рассматриваются пролеты и панели, вызывающие больше сомнений при обследовании.
b) Количество и расположение пролетов или панелей, подвергаемых нагрузке, выбираются таким образом, чтобы максимизировать прогиб и напряжения в критических областях элементов конструкции, подлежащих испытанию.
c) Используется более одной схемы расположения испытательной нагрузки, если одна схема не позволяет одновременно получить максимальные значения силовых воздействий, необходимых для изучения адекватности конструкции.
d) Нагрузка прикладывается в местах, где ее воздействие на предполагаемый дефект максимально. Однако лучше прикладывать нагрузку того же типа (точечную или равномерно распределенную), который ожидается на исследуемой конструкции.
e) При определении нагрузки для получения максимального эффекта в зоне испытываемой конструкции следует также учитывать ожидаемую нагрузку на конструкцию. Это включает использование шашечной или аналогичной нагрузки.

2. Интенсивность нагрузки для испытания физической нагрузкой

Общая испытательная нагрузка берется большей из следующих трех величин:
(a) 1,15D + 1,5L + 0,4(Lr или S или R) – De
(b) 1,15D + 0,9L + 1,5(Lr или S или R) – De
(c) 1.3D – De
Где D – общая мертвая нагрузка, L – живая нагрузка на перекрытия, Lr – живая нагрузка на крышу, S – снеговая нагрузка, R – дождевая нагрузка и De – уже существующая мертвая нагрузка. Живая нагрузка L может быть уменьшена в соответствии со строительными нормами и правилами. Коэффициент нагрузки на живую нагрузку L в (b) разрешается снижать до 0,45, за исключением гаражей, помещений, занятых под места общественного собрания, и всех помещений, где L больше 4,8 кН/м2.

3. Критерии нагрузки

1. Предварительная приблизительная аналитическая оценка проводится перед нагрузочным испытанием для определения места и величины испытательной нагрузки и планирования испытания.
2. Перед проведением испытания необходимо убедиться, что конструкция не разрушится полностью под действием испытательной нагрузки, и принять достаточные меры безопасности для спасения работающих людей и других частей здания в случае неожиданного внезапного разрушения.
Меры безопасности, принятые для проведения испытаний, не должны мешать процедурам нагрузочных испытаний и не должны влиять на результаты.
3. Установите критерии отказа до начала испытания. Это означает, на каком этапе нагружения испытание должно быть остановлено и конструкция должна быть признана небезопасной.
4. Тщательно продумайте типы ожидаемых трещин, метод измерения ширины и длины ожидаемых трещин, предполагаемые места, где будут измеряться трещины, и приблизительные пределы раскрытия и развития трещин.
5. Манометры прогиба устанавливаются на всех критических участках, опирающихся на подставки, которые остаются стабильными в течение всего времени испытания. Измерения должны проводиться в местах, где ожидается максимальный отклик. При необходимости могут быть проведены дополнительные измерения.
6. Начальное значение для всех применимых измерений отклика (таких как прогиб, поворот, деформация, скольжение, ширина трещин) регистрируется не более чем за 1 час до приложения первого приращения нагрузки.
7. Необходимо приложить нагрузку, равную эксплуатационной мертвой нагрузке D, которая еще не присутствует, например, для перегородок, подвесных потолков и воздуховодов, и она должна оставаться на месте до завершения нагрузочного испытания. Показания прогиба снимаются сразу после приложения дополнительной нагрузки.
Испытание можно начинать через 48 часов. После стабилизации прогибов под действием мертвой нагрузки необходимо заметить, обозначить и записать имеющиеся трещины и другие дефекты.
8. Испытательная нагрузка, определенная выше, прикладывается приблизительно четырьмя или более равными приращениями. Лучше проводить визуальный осмотр конструкции после каждого увеличения нагрузки.
9. Равномерная испытательная нагрузка прикладывается таким образом, чтобы обеспечить равномерное распределение нагрузки на испытываемую часть конструкции. Нагрузочные блоки, размещенные на поверхности, не должны иметь перемычек или арок между собой, так как это может сделать нагрузку неравномерной с уменьшением нагрузки вблизи середины пролета. 10. Все измерения отклика проводятся после каждого приращения нагрузки.
11. Если измеренные прогибы превышают ожидаемые значения, испытание должно быть либо прекращено, либо необходимо получить письменное разрешение от инженера-надзирателя.
12. После каждого приращения нагрузки необходимо тщательно наблюдать за образованием или ухудшением трещин и разрушений, а также за наличием чрезмерных деформаций, поворотов и т.д. Исследователь должен приблизительно проанализировать наблюдаемые данные и определить, безопасно ли приступать к следующему приращению нагрузки.
Преимуществом является то, что кривые “нагрузка – прогиб” разрабатываются во время нагрузочного испытания для всех критических точек измерения прогиба.
13. Поддерживайте полную испытательную нагрузку на конструкции в течение не менее 24 часов и регистрируйте все измерения отклика после этого промежутка времени.
14. Полная испытательная нагрузка снимается за минимально возможное время после проведения всех измерений отклика на вышеуказанном этапе.
15. Подождите 24 часа после снятия всей испытательной нагрузки. Через 24 часа снова проводятся все измерения отклика.
16. Испытания физической нагрузкой в основном используются только для оценки прочности конструкции на вертикальные гравитационные нагрузки. За некоторыми исключениями, натурные нагрузочные испытания не используются для оценки прочности конструкции на боковые нагрузки.

4. Критерии приемлемости испытания бетонной конструкции физической нагрузкой

1. Общий критерий приемки конструкции под испытательной нагрузкой заключается в том, что она не должна иметь никаких признаков разрушения. Сколы и дробление сжатого бетона считаются признаком разрушения.
Другие признаки разрушения включают явно чрезмерное растрескивание или прогиб такой величины и степени, что нарушаются требования безопасности конструкции. Определенные правила не могут быть разработаны для всех типов конструкций и условий, определяющих разрушение.
2. Если во время испытания произошло достаточное повреждение, ввод конструкции в эксплуатацию даже при меньшей нагрузке и повторное испытание, как правило, не допускается.
3. Несовершенства отливки не учитываются при определении устойчивости конструкции.
4. Местные сколы или отслаивание сжатого бетона в изгибаемых элементах не могут свидетельствовать об общем разрушении конструкции.
5. Ширина, длина и количество трещин являются хорошими индикаторами состояния конструкции. Однако видимые трещины развиваются на очень ранней стадии нагрузки или под воздействием температуры и усадки, которые необходимо отличать от потенциально опасных трещин.
Испытываемые элементы конструкции не должны иметь никаких признаков разрушения при сдвиге. Сопротивление сдвигающим усилиям в плоскости трещины сдвига обеспечивается комбинацией блокировки заполнителей, зажимным действием поперечного армирования стяжек и действием штифтов стяжек, пересекающих трещину.
Когда происходит выход стяжек из строя, что проявляется в расширении трещин и удлинении диагонали на всю глубину элемента, считается, что элемент приближается к разрушению при сдвиге. Требуется большая осторожность при исследовании наклонных трещин в зонах отсутствия поперечного армирования, которые могут привести к хрупкому разрушению.
В зонах анкерного крепления и нахлесточных соединений необходимо оценить появление вдоль линии армирования серии коротких наклонных трещин или горизонтальных трещин. Трещины вдоль оси основной арматуры в местах анкеровки и нахлесточных соединений являются индикатором хрупкого разрушения элемента.
6. Измеренные прогибы должны удовлетворять любому из следующих двух уравнений:


где = измеренный максимальный прогиб во время первого испытания под нагрузкой, мм
= разница между начальным и конечным (после снятия нагрузки) прогибами для нагрузочного испытания или повторного нагрузочного испытания, мм
= пролет испытываемого элемента, принимаемый как меньшее из расстояния между центрами опор и свободного расстояния между опорами плюс общая высота (h) элемента. Для двухсторонних систем перекрытий принимается меньший пролет, а для консолей – удвоенное расстояние от торца опоры до свободного конца, мм.
h = общая высота элемента, мм
Предельные значения прогиба и возможность повторного испытания соответствуют прошлой практике. Если конструкция не обнаруживает признаков разрушения, восстановление прогиба после снятия испытательной нагрузки используется для определения удовлетворительной прочности конструкции.
7. Если измеренные максимальный и остаточный прогибы, и не удовлетворяют уравнениям, полученным на предыдущем этапе, допускается повторить испытание нагрузкой.
8. Повторное испытание можно проводить не ранее чем через 72 часа после снятия первой испытательной нагрузки. Часть конструкции, испытанная при повторном испытании, считается приемлемой, если

где = измеренный максимальный прогиб во время второго испытания под нагрузкой относительно прогнутой формы конструкции в начале второго испытания под нагрузкой, мм.
Если конструкция не показывает явного начала разрушения, но не удовлетворяет предписанным условиям или критериям, конструкцию разрешается использовать при более низкой номинальной нагрузке. Это решение и сниженный уровень нагрузки должны быть одобрены должностным лицом, ответственным за строительство, на основании результатов испытаний и других наблюдений.
9. Повторное испытание конструкции, которая ранее не выдержала испытания на нагрузку, не допускается до тех пор, пока не будет проведен соответствующий ремонт и усиление для модернизации конструкции.

5. Важные соображения при испытании бетонной конструкции физической нагрузкой

• Отдельные части, используемые для приложения испытательной нагрузки, такие как железные прутья, кирпичи, бетонные блоки и т.д., должны быть разделены свободным боковым расстоянием не менее 100 мм для предотвращения арочного действия. Длина отдельных блоков должна составлять менее одной шестой части пролета испытываемого элемента конструкции. Куски должны быть одинаковой формы и веса, а вес отдельных кусков не должен отличаться от среднего веса более чем на 5 процентов. Средний вес определяется путем взвешивания не менее 20 изделий, взятых наугад.
• Если в качестве испытательной нагрузки используется вода, сыпучий песок или другие подобные материалы, они должны находиться в небольших отсеках, чтобы предотвратить смещение испытательной нагрузки во время значительной деформации конструкции. Общая накопленная испытательная нагрузка должна быть в пределах 5 процентов от запланированного значения.
• Нагрузочные блоки должны быть такими, чтобы их вес можно было легко измерить, они должны легко размещаться и легко сниматься и не должны содержать гигроскопичных материалов. Эти блоки, используемые для наклонных поверхностей, должны быть надежно закреплены, чтобы предотвратить их смещение.
• Испытательную нагрузку предпочтительно прикладывать с помощью гидравлических или пневматических устройств из-за простоты приложения и скорости снятия. Эти нагрузочные устройства должны продолжать равномерно функционировать даже при значительной деформации конструкции, а их реакция должна быть надежно передана в отдельную систему.

6. Приборы

Контрольно-измерительные приборы, установленные для мониторинга характеристик конструкции во время нагрузочного испытания, должны отвечать следующим требованиям:

7. Опоры

Перед приложением нагрузки при испытании на физическую нагрузку необходимо предусмотреть подпорки для поддержания конструкции при всех существующих нагрузках, испытательных нагрузках и ударных воздействиях в случае разрушения во время испытания и предотвратить попадание работающих людей.
Для горизонтальных элементов зазор между подпоркой и нижней частью конструкции должен быть равен максимальному ожидаемому прогибу плюс 50 мм. Ограждение не должно препятствовать свободному перемещению конструкции под испытательной нагрузкой.
Читать далее: Обслуживание бетонных конструкций для обеспечения долговечности элементов из РСС

• Свойства горных пород для инженерных и строительных целей.
• Концепция проектирования высотных зданий из железобетона.
• Испытание грунта с помощью манометра для определения деформации в грунте.
• Испытание свай под нагрузкой – методы испытания свай под нагрузкой.
• Время снятия бетонной опалубки, технические характеристики и расчеты.
• Определение осадки свайных фундаментов путем испытания под нагрузкой.
• Прочность грунтов на срез и ее испытания.