Испытание бетонных конструкций на нагрузку

Когда целесообразно проводить нагрузочное тестирование? Нагрузочное тестирование часто является последним средством оценки конструкций, для которых отсутствуют исходные чертежи и состав которых неясен. Конструкции, которые чаще всего подвергаются испытаниям на нагрузку, - это конструкции из бетона, поскольку стальные и деревянные элементы конструкций могут быть измерены и проанализированы в полевых условиях, но состав бетона не может быть легко изучен. Даже для определения толщины бетона и расстояния между арматурными стержнями бетон должен быть измерен с помощью некоторых методов, описанных в предыдущем разделе.

Хуже того, бетон, изготовленный по одной из первых патентованных систем, трудно поддается анализу даже при наличии оригинальных чертежей. (Следует отметить, что патентованные системы из дерева и металла, такие как балочные перекрытия неизвестного назначения, также являются отличными кандидатами для испытания на нагрузку). Нагрузочные испытания также проводятся для изношенного каркаса и конструкций, которые теоретически подвергаются чрезмерному напряжению в результате предполагаемой нагрузки.

Прикладывание испытательной нагрузки. Во время испытания на нагрузку конструкция подвергается заданной нагрузке и контролируется ее поведение. Обычно испытывается каркас на изгиб — плиты, балки и прогоны; элементы на сжатие, такие как колонны и фундаменты, чаще всего оцениваются аналитическими методами. Поскольку область, подлежащая испытанию, служит опорой для всей конструкции, важно тщательно выбирать ее, возможно, выбирая наиболее неприглядный участок пола. Величина и характер испытательной нагрузки должны соответствовать предполагаемой расчетной нагрузке.

Для двухсторонней конструкции прогибы следует измерять в геометрическом центре панели, а не в средней точке стоек колонн. При испытании двухсторонних перекрытий может потребоваться нагрузка на большие площади - например, на четыре смежных отсека. Как указывает Klein18, при проведении испытаний таким способом возникает непропорционально высокая нагрузка на плиту у колонны в середине зоны нагрузки. Тем не менее, единственной альтернативой этому упрощенному подходу является увеличение загружаемой площади более чем в два раза за счет увеличения ее со всех сторон на две трети длины отсека.

Если невозможно провести одно испытание, которое привело бы к максимальному прогибу и напряжению во всех критических зонах, возможно, потребуется провести несколько испытаний. Например, в строительных нормах и правилах может быть указано, что при проектировании монолитных перекрытий следует использовать распределенную нагрузку, при этом некоторые пролеты должны быть нагружены, а некоторые - разгружены. По экономическим соображениям плиты перекрытия редко подвергаются испытаниям таким образом, и чаще всего проводится однократное испытание. Предлагаемая схема испытаний для равномерного нагружения в двухстороннем исполнении показана на рис. 2.13.

Рисунок 2.13. Испытание двухсторонней плиты перекрытия на прогиб нагрузкой

Первым шагом является прикрепление измерительных приборов ко всем пяти точкам, показанным на рис. 2.13. Затем к средней панели прикладывается испытательная нагрузка, и прогибы, вызванные этой нагрузкой, измеряются в центрах четырех других отсеков. Чтобы получить максимальное отклонение центральной панели, можно просто сложить сумму четырех отклонений с одним, измеренным непосредственно на центральной панели. Можно также увеличить испытательную нагрузку, чтобы воспроизвести это увеличение прогиба центральной панели. В любом случае, удается избежать испытания на физическую нагрузку пяти полных секций двусторонней плиты перекрытия.

Для тестирования каркаса с простой опорой лучше всего загружать полный отсек каркаса. Если тестируется односторонняя плита перекрытия, загружаемая область может представлять собой квадрат со сторонами, равными размаху плиты перекрытия. Для однопролетных балок нагрузка должна покрывать, по крайней мере, пространство между соседними балками. Прогибы следует измерять в центре плиты перекрытия или балки.

Для испытания многопролетного одностороннего каркаса необходимо загрузить по крайней мере два отсека и провести по крайней мере два измерения прогиба. Первый включает в себя загрузку одного пролета для измерения прогиба плиты перекрытия или балок путем вычитания прогиба на концах из прогиба посередине, чтобы исключить влияние прогиба балки. Второй этап заключается в нагружении обоих пролетов для измерения прогиба балки. Процедура проиллюстрирована на рис. 2.14.

Рис. 2.14. Нагрузочные испытания односторонней балочно-прогонной системы

Нагрузка может быть приложена с помощью воды, содержащейся в бассейне с деревянным каркасом (рис. 2.15), или резиновых "пузырей", бетонных блоков или мешков с песком. Все это недорого и легкодоступно. Цель состоит в том, чтобы обеспечить действительно равномерную нагрузку на пол, если именно для этого проводится испытание, и избежать прогибания балласта. Это означает, например, что бетонные блоки не следует укладывать на пол ровным слоем; в противном случае они были бы уложены поверх отклоняющего каркаса.

Рисунок 2.15. Испытание на равномерную нагрузку с помощью резервуара с водой

Недостатком использования этих материалов является сложность быстрого снятия нагрузки, если пол начнет разрушаться во время испытания. Некоторые другие методы испытаний включают гидравлические домкраты, вакуум и давление воздуха. Все они позволяют быстро снять нагрузку, но стоят довольно дорого и поэтому редко используются для испытаний каркаса перекрытия на месте. Гидравлические домкраты обычно используются для испытания стальных балок, деревянных ферм и аналогичных конструкций в лабораторных условиях.

Нагрузочное испытание позволяет надежно и окончательно определить несущую способность конструкции. Однако это обходится недешево, особенно в жилом здании, работает очень медленно и потенциально опасно для конструкции и для тех, кто проводит испытания — в конце концов, конструкция может не выдержать испытания! В качестве защиты от разрушения на нижнем этаже и, возможно, даже на всех этажах ниже него, вплоть до уровня фундамента, сооружаются опоры, если есть сомнения в том, что нижняя конструкция сможет выдержать вес падающего бетона и балласта. Чтобы опора не мешала проведению испытания, она изготавливается с зазором под испытываемой конструкцией. Зазор должен быть достаточно большим, чтобы испытываемая конструкция могла прогибаться под нагрузкой.

Затраты на проведение нагрузочных испытаний в жилом здании объясняются, помимо установки опор, необходимостью частичного демонтажа потолка под испытательной площадкой, чтобы можно было прикрепить измерительные приборы к нижней стороне конструкции. Для измерения прогибов элементов датчики могут быть подвешены к резьбовым стержням, прикрепленным к бетону (рис. 2.16), и подсоединены к системе опорных плит и стальных стержней, установленных этажом ниже. Для проверки результатов может быть использована резервная система измерения прогибов элементов, например, простые стальные линейки. В качестве альтернативы для регистрации отклонений может быть использовано геодезическое оборудование.

Рисунок 2.16. Стрелочные датчики подвешены к нижней части испытываемого пола

Важным аспектом тестирования является крепление датчиков или других средств измерения прогиба в критических точках, а не там, где это удобно.

Нагрузочное испытание должно проводиться под наблюдением лицензированного инженера, который должен отвечать за выбор области для испытания, определение величины испытательной нагрузки и оценку приемлемости результатов.