Неразрушающие методы контроля качества как фактор надежности бетонных и железобетонных конструкций в транспортных сооружениях

Полный текст

Развитие теории и практики строительной науки позволяет совершенствовать основы проектирования, строительства и эксплуатации бетонных и железобетонных конструкций. Однако есть опасность разрушения конструкций на разных этапах жизненного цикла. Анализ литературных источников показывает, что бетонные и железобетонные конструкции разрушаются в процессе эксплуатации (рис. 1) [1].

 

Рис. 1. Причины разрушения основных видов конструкций

 

Основные причины разрушения – ошибки строительства, отступление от нормативных документов и низкое качество сборных железобетонных элементов, что связано с несовершенством контроля качества, поскольку при правильной организации контроля качества ошибки должны своевременно устраняться. Принципиальная схема формирования триады качества возводимых конструкций представлена на рис. 2 [2].

 

Рис. 2. Принципиальная схема триады надежности возводимых бетонных и железобетонных конструкций

 

Постановка задачи

Для решения этой задачи необходимо учитывать совместное действие процессов деформирования и трещинообразования строительных материалов, которые приводят к разрушению (рис. 3), а также реальную структуру материалов, физико-механические показатели и их вариативность [3].

 

Рис. 3. Схема связи характера деформирования и трещинообразования в композиционных материалах

 

Принятые допущения

Материалы разрушаются вследствие внешних воздействий, связанных с подводом избытка энергии: механических нагрузок, циклического замораживания-оттаивания, химических реакций, физических процессов и т. п. После приложения критического количества энергии разрушаются внутренние связи структурных элементов материала.

Надежность включает в себя показатели безотказности, долговечности, ремонтопригодности, сохраняемости. Одним из определяющих факторов повышения надежности является принцип контроля механических величин.

Материалы и методы исследования

Повысить надежность конструкций можно двумя путями:

• изучением структуры и свойств материалов для улучшения стабильности свойств с использованием вероятностных методов и применением их в проектных работах и методах приемочных испытаний материалов;
• повышением качества осмотров и ремонтов на основании характера и скорости продвижения трещин в материале при фактическом уровне нагрузки [4].

Для этого необходимо совершенствовать методы контроля качества как важной части обеспечения надежности конструкций возводимых зданий и сооружений, прежде всего, с точки зрения оценки механических свойств [5–7]. При развитии строительных методов испытания и контроля целесообразно заменять традиционные выборочные разрушающие методы контроля прочностных и деформативных свойств бетона сплошным неразрушающим контролем. Переход на неразрушающие методы дает существенный эффект с точки зрения качества и трудоемкости контроля:

• позволяет использовать сплошной контроль, выявляя бракованные конструкции и элементы, которые нельзя определить выборочным контролем разрушающими методами (например, из-за нарушений технологии, неправильной транспортировки бетонной смеси, гравитационного расслоения);
• сокращает время испытаний и затраты на контроль, но при этом сплошной неразрушающий контроль должен влиять на достоверность получаемой измерительной информации.

Рассмотрим влияние перехода на сплошной неразрушающий контроль при возведении бетонных и железобетонных конструкций на достоверность получаемой измерительной информации и на надежность зданий и сооружений.

Результаты

Авторы изучили влияние изменения достоверности получаемой измерительной информации на надежность на примере оценки класса бетона, который формирует значительную долю коэффициента запаса возводимых конструкций из бетона и железобетона. При этом считалось, что количество испытаний значительное и подчиняется нормальному закону распределения. Причиной этому является большая вариативность механических свойств бетона, прежде всего, прочности. Показатель прочности нормируется при определении класса бетона:

 $D=\overline{R}(1-vt).$

Для стандартных и разрушающих методов картина распределения результатов испытаний представлена на рис. 4 (достоверность Р = 0,95, так как допустимый коэффициент вариаций бетона 13,5 % при одностороннем диапазоне коэффициент Стьюдента t = 1,64) [8, 9].

 

Рис. 4. Связь основных показателей при оценке прочностных свойств бетона

 

Покажем пример использования бетона класса В30 $(\overline{R}=\frac{30}{1-1,64\cdot 0,135}=36,8\text{\hspace{0.17em}МПа})\text{.}$ Для серии из значимого количества образцов для бетона класса В30 минимальный допустимый показатель прочности с учетом максимально допустимого коэффициента вариации 13,5 % должен быть не менее:

 $R_{\min }=\overline{R}-1,64S=\overline{R}-1,64\overline{R}v=$36,8(1–1,64 ∙ 0,135) = 30 МПа.

Размах составит 6,8 Мпа, при этом отклонение в минимальную сторону опасно для конструкции, поскольку снижает уровень надежности. При снижении прочности в допустимых пределах уменьшается коэффициент запаса бетонных конструкций. Фактически на примере бетона В30 расчетный предел прочности по первой группе предельных состояний составит 17 МПа [8–11].

В нормальных условиях расчетный коэффициент запаса К_зап = 36,8 / 17 = 2,13. Значит, в среднем конструкции при проектировании закладываются с запасом, обеспечивающим требуемый уровень надежности и безотказности. При этом надежность характеризуется индексом надежности и вероятностью безотказной работы [12]:

 $\beta =\frac{\overline{R}-\overline{Q}}{\sqrt{S_R^2}+S_Q^2},$

где → $\overline{R},\overline{Q}$  – значение прочности и нагрузочного эффекта, соответственно;

$S_R,S_Q$ – среднеквадратическое отклонение прочностных свойств материала и нагрузок, соответственно.

Вероятность отказа определяется по формуле [9, 10]

 $P_f=\frac{1}{2}-\text{Ф}\left(\beta \right)=\frac{1}{2}-\frac{1}{\sqrt{2\pi }}{\int }_0^{\beta }\exp (-\frac{x^2}{2})dx.$

Асимптотическая формула вероятности отказа [9]

 $P_f=\frac{1}{\sqrt{2\pi }}\frac{{\beta }^2-1}{{\beta }^3}\exp \left(\frac{-{\beta }^2}{2}\right),$

где   → $\beta =\frac{{К}_{\text{зап}}-1}{\sqrt{({\nu }_R^2{К}_{\text{зап}}+{\nu }_Q^2)}};$

ν_R, ν_Q – коэффициенты вариации прочностных свойств материала и нагрузок, соответственно.

Обсуждение результатов

Переход на неразрушающие методы контроля должен изменить ситуацию в лучшую сторону за счет увеличения контрольных точек и перехода на сплошной контроль. В соответствии с нормативными документами при построении градуировочной кривой допускают среднее квадратическое отклонение (СКО) S_нм = 12 %, кроме метода отрыва [13]. Для метода отрыва со скалыванием допускается увеличение СКО S = 4 % для анкера длиной 48 мм и S_нм = 7 % – для анкера длиной 20 мм [14]. Авторы рассмотрели, как дополнительная погрешность неразрушающего метода влияет на результирующую достоверность контроля, а значит, на надежность возводимых конструкций с данным уровнем контроля.

Увеличение СКО приводит к снижению достоверности получаемой информации, что в свою очередь увеличивает разброс получаемых результатов испытаний механических свойств.

Чтобы обеспечить соответствующий доверительный интервал, необходимо изменить коэффициент Стьюдента, а значит, снизить достоверность испытаний. Для сохранения средней прочности бетона, соответствующей классу бетона В30, надо снизить коэффициент Стьюдента, это приведет к снижению доверительной вероятности:

 

tS = (S + S_нм),

 

где    t и  – коэффициент Стьюдента при данной доверительной вероятности (при стандартном испытании Р = 0,95);

S, S_нм – среднеквадратическое отклонение СКО стандартного испытания при построении градуировочной кривой неразрушающим методом.

Тогда результаты расчетов показывают, что соответствующий коэффициент с учетом изменения СКО составит = 1,46. Для сохранения показателей прочности с доверительным интервалом, соответствующим классу бетона, достоверность испытаний составляет Р = 0,92, что противоречит требованиям нормативных документов [15].

Заключение

Исследования показывают, что переход только на неразрушающие методы должен изменить  подход к определению допустимых величин механических характеристик с учетом их гарантированной прочности. Существующий подход закладывает снижение достоверности, получаемой в результате испытаний с показателя достоверности Р = 0,92 до 0,95, что в свою очередь снижает коэффициенты запаса, а значит, и показатели надежности возводимых конструкций. Отсюда следует, что необходимо более требовательно подходить к выбору выходного контроля строительного процесса. Решить эту проблему можно за счет создания комплекса контрольных испытаний, включающих как разрушающие, так и неразрушающие методы. Такой подход позволит создать систему сбора испытательной информации повышенной точности.

Об авторах

Юрий Алексеевич Беленцов

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I

Автор, ответственный за переписку.
Email: belents@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7492-2161
SPIN-код: 6073-9446

доктор технических наук, профессор

Россия, 190031, г. Санкт-Петербург, Московский пр., 9

Лилия Фаатовна Казанская

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I

Email: yalifa@inbox.ru
ORCID iD: 0000-0002-8734-1064
SPIN-код: 6073-9446

доктор технических наук, профессор

Россия, 190031, г. Санкт-Петербург, Московский пр., 9

Список литературы

Дополнительные файлы