Методы и средства проведения инженерного эксперимента
Лекция № 2
Методы и средства проведения инженерного эксперимента
Обследование строительных конструкций зданий и сооружений содержит методы контроля качества изготовления и монтажа элементов строительных конструкций, обеспечивающих соответствие объекта проектным значениям, а также отображение действительной работы систем.
Изучение состояния монтируемой или эксплуатируемой конструкции при работе в реальных условиях обеспечивается теми же методами, что и при контроле качества их изготовления, но зачастую возникает ситуация, когда для эксплуатируемого объекта отсутствует проектная и рабочая документация. Тогда для восстановления последней требуется детальное изучение реальных условий работы системы. К подобной ситуации можно отнести и тот случай, когда необходимо определить работоспособность системы с учетом отклонения ее параметров от проектных.
Повышенные требования предъявляются к методам обследования при анализе причин аварий вследствие повреждений конструкций в процессе монтажа и эксплуатации, а также катастроф - аварий, повлекших за собой человеческие жертвы. Проводимые обследования строительных конструкций и сооружений позволяют выявить наиболее характерные дефекты и разработать рекомендации по уточнению методов расчета тех или иных конструкций, улучшить их конструктивные схемы, технологию изготовления и монтажа.
2.1. Методы обследования и испытания сооружений
В условиях ускорения научно-технического прогресса происходит интенсивное совершенствование различных технологических процессов. Это влечет за собой замену устаревшего оборудования на новое, высокопроизводительное, работающее на более высоких скоростях, что может привести к повышению нагрузок, передаваемых на строительные конструкции. Создание гибких производств связано с изменением архитектурно-планировочных решений для эксплуатируемых зданий и сооружений. Реконструкция старого жилого фонда и приведение уровня его комфортности к современным требованиям обусловливают необходимость оценки действительного состояния жилых зданий. Перед инженерами - строителями ставится задача оценки состояния эксплуатируемых строительных конструкций, зданий и сооружений, решения вопроса о возможности их дальнейшей эксплуатации или реконструкции и усиления.
Решение поставленных задач связано с обследованием конструкций и сооружений, результаты которого позволяют подготовить соответствующие рекомендации. На их основе инженеры-проектировщики разрабатывают необходимые конструктивные решения.
Рекомендуемые материалы
К проведению работ по обследованию несущих конструкций зданий и сооружений допускают организации, оснащенные необходимой приборной и инструментальной базой, имеющие в своем составе квалифицированных специалистов. Квалификация организации на право проведения обследования и оценки технического состояния несущих конструкций зданий и сооружений должна быть подтверждена соответствующей Государственной лицензией.
Необходимость в проведении обследовательских работ, их объем, состав и характер зависят от поставленных конкретных задач.
Задачей обследования является установление фактического качественного состояния конструкций. Основание для обследования могут быть следующие причины:
- наличие дефектов и повреждений конструкций (например, вследствие силовых, коррозионных, температурных или иных воздействий, в том числе неравномерных просадок фундаментов), которые могут снизить прочностные, деформативные характеристики конструкций и ухудшить эксплуатационное состояние здания в целом;
- увеличение эксплуатационных нагрузок и воздействий на конструкции при перепланировке, модернизации и увеличении этажности здания;
- реконструкция зданий даже в случаях, не сопровождающихся увеличением нагрузок;
- выявление отступлений от проекта, снижающих несущую способность и эксплуатационные качества конструкций;
- отсутствие проектно-технической и исполнительной документации;
- изменение функционального назначения зданий и сооружений;
- возобновление прерванного строительства зданий и сооружений при отсутствии консервации или по истечении трех лет после прекращения строительства при выполнении консервации;
- деформации грунтовых оснований;
- необходимость контроля и оценки состояния конструкции зданий, расположенных вблизи от вновь строящихся сооружений;
- необходимость оценки состояния строительных конструкций, подвергшихся воздействию пожара, стихийных бедствий природного характера или техногенных аварий;
- необходимость определения пригодности производственных и общественных зданий для нормальной эксплуатации, а также жилых зданий для проживания в них.
При обследовании зданий объектами рассмотрения являются следующие основные несущие конструкции:
- фундаменты, ростверки и фундаментные балки;
- стены, колонны, столбы;
- перекрытия и покрытия (в том числе: балки, арки, фермы стропильные и подстропильные, плиты, прогоны);
- подкрановые балки и фермы;
- связевые конструкции, элементы жесткости;
- стыки, узлы, соединения и размеры площадок опирания.
При проведении обследований особое внимание обращают на определение технического состояния конструкций и отдельных их элементов, на выявление имеющихся запасов прочности, а также установление возможности их сохранения и дальнейшего использования. Также необходимо учитывать специфику материалов, из которых выполнены конструкции.
Оценку категорий технического состояния несущих конструкций производят на основании результатов обследования и поверочных расчетов. По этой оценке конструкции подразделяются на:
- находящиеся в исправном состоянии;
- работоспособном состоянии;
- ограниченно работоспособном состоянии;
- недопустимом состоянии;
- аварийном состоянии.
При ограниченно работоспособном состоянии конструкций необходимы контроль за их состоянием, выполнение защитных мероприятий, осуществление контроля за параметрами процесса эксплуатации (например, ограничение нагрузок, защиты конструкций от коррозии, восстановление или усиление конструкций). Если ограниченно работоспособные конструкции остаются неусиленными, то требуются обязательные повторные обследования, сроки которых устанавливаются на основании проведенного обследования.
При недопустимом состоянии конструкций необходимо проведение мероприятий по их восстановлению и усилению.
При аварийном состоянии конструкций их эксплуатация должна быть запрещена.
Если обследование проводится после аварии, анализируют ее причины, целесообразность и возможность восстановления здания или отдельных его частей.
При обследовании зданий и сооружений, расположенных в сейсмически опасных регионах, оценка технического состояния конструкций должна производиться с учетом факторов сейсмических воздействий:
- расчетной сейсмичности площадки строительства по картам ОСР-97;
- повторяемости сейсмического воздействия;
- спектрального состава сейсмического воздействия;
категории грунтов по сейсмическим свойствам.
Обследование может быть полным или выборочным – наиболее ответственных конструкций, находящихся в неблагоприятных условиях или уже получивших повреждения и вызывающих сомнения в надежности конструкций и безопасности людей.
Обследование конструкций осуществляется на основе технического задания, составляемое предприятием-заказчиком. Как правило, оно содержит следующие разделы:
- обоснование для выполнения работ;
- цели и задачи работы;
- состояние вопроса;
- состав работы;
- краткое содержание отчетных материалов;
- обязанности заказчика.
Обследование строительных конструкций зданий и сооружений проводится, как правило, в три связанных между собой этапа:
- подготовка к проведению обследования;
- предварительное визуальное (общее) обследование;
- детальное инструментальное обследование (диагностика).
Состав работ и последовательность действий по обследованию конструкций независимо от материала, из которого они изготовлены, на каждом этапе включают:
Подготовительные работы:
- ознакомление с объектом обследования, его объемно-планировочным и конструктивным решением, материалами инженерно-геологических изысканий;
- подбор и анализ проектно-технической документации;
- составление программы работ (при необходимости) на основе полученного от заказчика технического задания. Техническое задание разрабатывается заказчиком или проектной организацией и, возможно, с участием исполнителя обследования. Техническое задание утверждается заказчиком, согласовывается исполнителем и, при необходимости, проектной организацией - разработчиком проекта задания.
Предварительное (визуальное) обследование
Сплошное визуальное обследование конструкций зданий и выявление дефектов и повреждений по внешним признакам с необходимыми замерами и их фиксация.
Детальное (инструментальное) обследование:
- работы по обмеру необходимых геометрических параметров зданий, конструкций, их элементов и узлов, в том числе с применением геодезических приборов;
- инструментальное определение параметров дефектов и повреждений;
- определение фактических прочностных характеристик материалов основных несущих конструкций и их элементов;
- измерение параметров эксплуатационной среды, присущей технологическому процессу в здании и сооружении;
- определение реальных эксплуатационных нагрузок и воздействий, воспринимаемых обследуемыми конструкциями с учетом влияния деформаций грунтового основания;
- определение реальной расчетной схемы здания и его отдельных конструкций;
- определение расчетных усилий в несущих конструкциях, воспринимающих эксплуатационные нагрузки;
- расчет несущей способности конструкций по результатам обследования;
- камеральная обработка и анализ результатов обследования и поверочных расчетов;
- анализ причин появления дефектов и повреждений в конструкциях;
- составление итогового документа (акта, заключения, технического расчета) с выводами по результатам обследования;
- разработка рекомендаций по обеспечению требуемых величин прочности и деформативности конструкций с рекомендуемой, при необходимости, последовательностью выполнения работ.
Некоторые из перечисленных работ могут не включаться в программу обследования в зависимости от специфики объекта обследования, его состояния и задач, определенных техническим заданием.
Подготовительные работы
Подготовка к проведению обследований предусматривает ознакомление с объектом обследования, проектной и исполнительной документацией на конструкции и строительство здания, с документацией по эксплуатации и имевшим место ремонтам, перепланировкам и реконструкции, с результатами предыдущих обследований.
По проектной документации устанавливают проектную организацию - автора проекта, год его разработки, конструктивную схему здания, сведения о примененных в проекте конструкциях, монтажные схемы сборных элементов, время их изготовления и возведения здания, геометрические размеры здания, его элементов и конструкций, расчетные схемы, проектные нагрузки, характеристики бетона, металла, камня и прочее.
По данным об изготовлении конструкций и возведении зданий устанавливают наименования строительных организаций, осуществляющих строительство, поставщиков материалов и конструкций, сертификаты и паспорта изделий и материалов, данные об имевших место заменах и отступлениях от проекта.
По материалам и сведениям, характеризующим эксплуатацию конструкций здания и эксплуатационные воздействия, вызвавшие необходимость проведения обследования, устанавливают характер внешнего воздействия на конструкции, данные об окружающей среде, данные о проявившихся при эксплуатации дефектах, повреждениях и прочее.
На этапе подготовки к обследованию на основании технического задания, при необходимости, составляют программу работ по обследованию, в которой указывают: цели и задачи обследования; перечень подлежащих обследованию строительных конструкций и их элементов; места и методы инструментальных измерений и испытаний; места вскрытий и отбора проб материалов, исследований образцов в лабораторных условиях; перечень необходимых поверочных расчетов и т.д.
Большинство работ по обследованию проводят в непосредственной близости к конструкциям, поэтому на подготовительном этапе решают вопросы обеспечения доступа к конструкциям.
Предварительное визуальное (общее) обследование
Визуальное обследование проводят для предварительной оценки технического состояния строительных конструкций по внешним признакам и для определения необходимости в проведении детального инструментального обследования.
Основой предварительного обследования является осмотр здания или сооружения и отдельных конструкций с применением измерительных инструментов и приборов (бинокли, фотоаппараты, рулетки, штангенциркули, щупы и прочее).
При визуальном обследовании выявляют и фиксируют видимые дефекты и повреждения, производят контрольные обмеры, делают описания, зарисовки, фотографии дефектных участков, составляют схемы и ведомости дефектов и повреждений с фиксацией их мест и характера. Проводят проверку наличия характерных деформаций здания или сооружения и их отдельных строительных конструкций (прогибы, крены, выгибы, перекосы, разломы и т.д.). Устанавливают наличие аварийных участков, если таковые имеются.
По результатам визуального обследования делается предварительная оценка технического состояния строительных конструкций, которое определяется по степени повреждения и по характерным признакам дефектов. Зафиксированная картина дефектов и повреждений (например: в железобетонных и каменных конструкциях - схема образования и развития трещин; в деревянных - места биоповреждений; в металлических - участки коррозионных повреждений) может позволить выявить причины их происхождения и быть достаточной для оценки состояния конструкций и составления заключения. Если результаты визуального обследования окажутся недостаточными для решения поставленных задач, то проводят детальное инструментальное обследование. В этом случае, при необходимости, разрабатывается программа работ по детальному обследованию.
Если при визуальном обследовании будут обнаружены дефекты и повреждения, снижающие прочность, устойчивость и жесткость несущих конструкций сооружения (колонн, балок, ферм, арок, плит покрытий и перекрытий и прочих), то необходимо перейти к детальному обследованию.
В случае выявления признаков, свидетельствующих о возникновении аварийной ситуации, необходимо незамедлительно разработать рекомендации по предотвращению возможного обрушения.
При обнаружении характерных трещин, перекосов частей здания, разломов стен и прочих повреждений и деформаций, свидетельствующих о неудовлетворительном состоянии грунтового основания, необходимо проведение инженерно-геологического исследования, по результатам которого может потребоваться не только восстановление и ремонт строительных конструкций, но и укрепление оснований и фундаментов.
Детальное (инструментальное) обследование
Детальное инструментальное обследование в зависимости от поставленных задач, наличия и полноты проектно-технической документации, характера и степени дефектов и повреждений может быть сплошным (полным) или выборочным.
Сплошное обследование проводят, когда:
- отсутствует проектная документация;
- обнаружены дефекты конструкций, снижающие их несущую способность;
- проводится реконструкция здания с увеличением нагрузок (в том числе этажности);
- возобновляется строительство, прерванное на срок более трех лет без мероприятий по консервации;
- в однотипных конструкциях обнаружены неодинаковые свойства материалов, изменения условий эксплуатации под воздействием агрессивных среды или обстоятельств типа техногенных процессов и пр.
Выборочное обследование проводят:
- при необходимости обследования отдельных конструкций;
- в потенциально опасных местах, где из-за недоступности конструкций невозможно проведение сплошного обследования.
Если в процессе сплошного обследования обнаруживается, что не менее 20% однотипных конструкций, при общем их количестве более 20, находятся в удовлетворительном состоянии, а в остальных конструкциях отсутствуют дефекты и повреждения, то допускается оставшиеся непроверенные конструкции обследовать выборочно. Объем выборочно обследуемых конструкций должен определяться конкретно (во всех случаях не менее 10% однотипных конструкций, но не менее трех).
Обмерные работы
Целью обмерных работ является уточнение фактических геометрических параметров строительных конструкций и их элементов, определение их соответствия проекту или отклонение от него. Инструментальными измерениями уточняют пролеты конструкций, их расположение и шаг в плане, размеры поперечных сечений, высоту помещений, отметки характерных узлов, расстояния между узлами и т.д. По результатам измерений составляют планы с фактическим расположением конструкций, разрезы зданий, чертежи рабочих сечений несущих конструкций и узлов сопряжений конструкций и их элементов.
Для обмерных работ, по мере необходимости, применяются измерительные инструменты: линейки, рулетки, стальные струны, штангенциркули, нутромеры, щупы, шаблоны, угломеры, уровни, отвесы, лупы, измерительные микроскопы, а в случае необходимости используют специальные измерительные приборы: нивелиры, теодолиты, дальномеры, различные дефектоскопы и прочее, а также применяют фотограмметрию. Все применяемые инструменты и приборы должны быть поверены в установленном порядке.
При обследовании конструкций, независимо от их материала, проводят следующие обмерные работы:
- уточняют разбивочные оси сооружения, его горизонтальные и вертикальные размеры;
- проверяют пролеты и шаг несущих конструкций;
- замеряют основные геометрические параметры несущих конструкций;
- определяют фактические размеры расчетных сечений конструкций и их элементов и проверяют их соответствие проекту;
- определяют формы и размеры узлов стыковых сопряжений элементов и их опорных частей, проверяют их соответствие проекту;
- проверяют вертикальность и соосность опорных конструкций, наличие и местоположение стыков, мест изменения сечений;
- замеряют прогибы, изгибы, отклонения от вертикали, наклоны, выпучивания, перекосы, смещения и сдвиги;
- в железобетонных конструкциях определяют наличие, расположение, количество и класс арматуры, признаки коррозии арматуры и закладных деталей, а также состояние защитного слоя;
- в железобетонных и каменных конструкциях определяют наличие трещин и измеряют величину их раскрытия;
- в металлических конструкциях проверяют прямолинейность сжатых стержней, наличие соединительных планок, состояние элементов с резкими изменениями сечений, фактическую длину, катет и качество сварных швов, размещение, количество и диаметр заклепок или болтов, наличие специальной обработки и пригонки кромок и торцов;
- в деревянных конструкциях фиксируют наличие искривлений и коробления элементов, разрывов в поперечных сечениях элементов или трещин по их длине, наличие и размеры участков биологического поражения.
Методика проведения обследования строительных конструкций зданий и сооружений может быть следующая:
1. Предварительный визуальный осмотр с целью ознакомления с объектом исследования, выявление возможных аварийных участков, а также определения действительного возраста, наличия технической документации, предполагаемых изменений в эксплуатации объекта.
Данный этап осуществляется визуально и с помощью биноклей или других многократно увеличивающих приборов. Также используется фотографирование объекта и его частей.
Визуальная оценка сооружения дает первую исходную информацию о состоянии обследуемой конструкции, позволяет судить о степени износа элементов конструкции, дает возможность конкретизировать дальнейшее проведение испытания. В первую очередь это связано с применением неразрушающих методов испытаний, т. е. таких методов, которые не приводят к разрушению отдельных элементов и конструкции в целом. Такие испытания могут проводиться как при статическом нагружении конструкции, так и при динамическом воздействии нагрузок. Комплекс таких испытаний включает определение значений геометрических параметров сооружения (пролеты, толщины, высоты и т. д.), прочностных и структурных свойств материала, толщины защитного слоя бетона, расположения арматуры, прогибов и деформаций элементов, динамических амплитуд перемещений, периодов колебаний конструкций, ускорений отдельных точек и пр.
При обследовании сооружений широко применяются методы инженерной геодезии, с помощью которых измеряются осадки зданий и сооружений, их сдвиги, параметры трещин и деформационных швов, прогибы элементов конструкций.
Методами инженерной фотограмметрии определяются перемещения точек и деформации элементов конструкций при статических и динамических воздействиях. В последнее время эффективно развиваются методы лазерной интерференции.
Аналогичные методы используются при контроле
качества изготовления элементов строительных конструкций и их монтажа на строительных площадках.
2. Составление программы обследования с обязательными мероприятиями по технике безопасности при проведении работ.
Параллельно с составлением программы обследования для ее выполнения необходимо подготовить инструменты, приспособления, приборы и обучить персонал для их обслуживания. Нужно согласовать с владельцами объекта сроки проведения обследования. Иногда необходимо на время обследования в производственных зданиях вводить временные ограничения на работы на каких-либо участках. В жилых зданиях во время обследования квартир обязательно присутствие жильцов, которых надо предупредить заранее.
В программе обследования против каждой работы должны быть указаны конкретные исполнители и сроки проведения работ.
Программу обследования, составленную исполнителями на основании официального оформленного задания, согласовывает руководитель объекта. Он же, обычно, обязуется оказывать содействие и помощь в проведении обследования и выделяет своего представителя для участия в обследовании и составлении заключения о техническом состоянии объекта.
3. Изучение всей имеющейся по объекту технической документации:
- рабочих и исполнительных чертежей;
- актов на скрытые работы;
- журналов производства работ;
- заключений предшествующих обследований;
- паспортов на оборудование.
Ознакомление с проектной и исполнительной документацией позволяет дать оценку принятым конструктивным решениям, выявить элементы сооружений, работающие в наиболее тяжелых условиях, установить значения действующих нагрузок.
4. Изучение условий эксплуатации, технологии производства, температурно-влажностного режима, агрессивности среды. Взятие проб воздуха, пыли, воды и т.д. для химического анализа.
5. Геологические и гидрогеологические исследования, позволяющие оценить состояние грунтов основания, наличие и агрессивность грунтовых вод. Проводят бурение скважин или отрывают шурфы вблизи стен подвала или фундаментов и проводят лабораторные исследования грунтов. Для этого необходимо специальное оборудование (буровые установки, ломы, лопаты) и соответствующий персонал для выполнения этих работ.
6. Геодезические работы по определению положения здания и его частей (отметки, крены и т.д.), в том числе и определение размеров труднодоступных частей здания или сооружения, например: башен, мостов, эстакад и т.д.
Проводится специалистами с помощью нивелиров, теодолитов, лазерных приборов и т.д.
7. Обмер конструкций, узлов и элементов с целью проверки соответствия фактических размеров проектным. При отсутствии проектной документации – составление обмерочных чертежей конструкций, узлов, планов, разрезов, фасадов здания или сооружения, фотографирование их.
Обмеры здания и дефектов выполняют с помощью измерительных инструментов: лазерных дальномеров, рулеток, измерительных лент, линеек, штангенциркулей, микрометров, угломеров, отвесов, уровней, микроскопов, приспособлений для замера трещин, катетов сварных швов и т.д.
8. Детальный осмотр элементов объекта с выявлением износа, дефектов, повреждений, конструкций, составлением дефектных ведомостей. Анализ причин. При этом возможны работы по вскрытию полов, чердачных перекрытий, заделанных в стены опорных узлов балок и т.д.
9. Оценка прочностных свойств материалов, примененных в конструкциях. Включает отбор образцов (проб) материала, химический анализ, испытания образцов, статистическую обработку данных и выводы о классе бетона, арматуры, марок кирпича и раствора.
10. Уточнение нагрузок, действующих на конструкции: массы конструкций и оборудования, временных нагрузок, влияние температур, осадков и т.д.
11. Выявление действительной расчетной схемы здания в целом и его отдельных конструкций. Определяется характер закрепления концов стержней, неразрезность, тип опор, возможность совместной пространственной работы ряда конструкций, пространственной работы здания в целом.
12. Проверочные расчеты конструкций, узлов, стыков, соединений с учетом реальных расчетных схем, нагрузок, ослаблений сечений, кривизны элементов и других дефектов конструкций и уточненных расчетных сопротивлений материала конструкций.
13. Испытания конструкций пробной нагрузкой. Проводят редко, только когда неясна работа конструкции из-за недостаточности (неполноты) результатов обследования.
14. Составление заключения о техническом состоянии конструкций или технического паспорта на объект исследования.
15. Разработка рекомендаций по дальнейшей нормальной эксплуатации конструкций и, при необходимости, вариантов усиления конструкций или узлов и здания в целом.
Представленная методика обследования зданий и сооружений может быть сокращена или расширена при обследовании конкретных объектов, с учетом поставленных задач, намеченных сроков и возможностей исполнителя и заказчика. Это учитывается в программе обследования, в которой, кроме указанных этапов, должны быть определены сроки их проведения, конкретные исполнители и др. Необходимо выделить наиболее срочные мероприятия по предотвращению возникновения аварийных ситуаций. Сомнительные, с точки зрения надежности, конструкции должны быть, по возможности, освобождены от временной нагрузки, иногда под них подводят предохранительные леса. Эти участки ограждают и оповещают персонал, чтобы вблизи них не проводились работы, которые могут ухудшить состояние конструкций и создать аварийную ситуацию.
Контроль качества изготовления элементов строительных конструкций производится с использованием неразрушающих и разрушающих методов испытаний. Однако подвергать каждое изделие испытаниям до разрушения является абсурдным, так как при этом не выйдет за пределы ворот комбината или завода ни одно изделие, которое будет использовано в практике строительства, хотя при этом информация о действительной работе изделия будет обладать 100% - ной обеспеченностью.
Неразрушающий метод не всегда дает полную характеристику испытуемого объекта, поэтому эти два метода используются в совокупности. Если провести неразрушающие и разрушающие испытания определенного количества объектов, а затем сопоставить результаты испытаний, то можно установить определенную взаимосвязь между ними.
Итак, испытания конструкций зданий и сооружений являются составным элементом обследования, но по своей методологии, по аппаратурному обеспечению и по методам обработки представляют самостоятельное направление экспериментальной механики. Цель этого направления состоит в создании методов и средств, позволяющих на базе экспериментальных исследований получить объективную информацию о свойствах конструкционных материалов, поведении элементов конструкций и действительной работе сооружений. Никакой, даже самый точный расчет, с точки зрения использования вычислительной техники, не может дать объективной информации о действительном поведении реальных систем.
В строительной механике, теории упругости и пластичности, сопротивлении материалов изучаются самые современные методы расчета идеализированных расчетных схем, но любой из этих методов должен быть построен на объективной информации, полученной из опыта, и ни один из них не может быть рекомендован к использованию для практических расчетов без его экспериментальной проверки.
Парадоксальным является то, что в рамках сформулированных расчетных схем с использованием современных ЭВМ можно получать результаты расчета с погрешностью 10-8 и менее (это определяется числом цифр значения величины, выдаваемой на цифропечать, или точностью выдачи информации на графопостроитель), тогда как исходная, вводимая в расчет информация по нагрузкам, прочностным характеристикам и отклонениям параметров действительного сооружения от его расчетной схемы характеризуется погрешностью, реально определяемой в пределах 20 – l0%. Это не снижает роль современных методов теории расчета сооружений, а лишь подчеркивает необходимость взаимной увязки точности методов расчета сооружений с точностью исходных предпосылок, определяемых экспериментом, и точностью получаемых результатов, фиксируемых при проведении эксперимента.
Существенное влияние на формирование методов и средств испытания конструкций оказывает характер изменения внешних нагрузок, действующих на строительные конструкции, здания и сооружения. Здесь различают статические нагрузки, которые постоянны по значению либо медленно изменяются во времени, и динамические, изменяющиеся во времени.
Можно сформулировать три основные задачи, которые решаются с помощью методов и средств испытания строительных конструкций, зданий и сооружений. К первой задаче следует отнести определение теплофизических, структурных, прочностных и деформативных свойств конструкционных материалов и выявление характера внешнего воздействия, передаваемого на конструкции.
Вторая задача связана с сопоставлением расчетных схем строительных конструкций, усилий и перемещений, которые определяются расчетным путем, с соответствующими усилиями и перемещениями, возникающими в реальной конструкции или ее модели.
Третья задача – идентификация расчетных моделей, которая получила развитие лишь в последние годы. Эта задача связана с синтезом расчетных схем, который следует из анализа результатов проведенных экспериментальных исследований. Теоретически решение этой задачи смыкается с проблемами кибернетики, в частности с проблемой «черного ящика». Однако в отличие от классической постановки проблемы при рассмотрении практических задач известны некоторые характерные параметры системы, к которым можно отнести информацию о геометрии конструкции в плане, определяемой архитектурно-планировочными решениями, о типе или характере несущих конструкций, о наборе конструктивных элементов, применяемых в сооружениях. На основании анализа экспериментально полученных данных о внешних воздействиях и реакции системы (прогибы, деформации, скорости, ускорения) в рамках заданной расчетной модели выявляются ее параметры.
2.2. Основы метрологии и стандартизации в строительстве
В условиях ускорения научно-технического прогресса в строительстве особое значение придается унификации строительных конструкций, деталей и узлов, повышению качества изготовления и монтажа строительных конструкций. Решение поставленных задач требует существенного повышения роли метрологии и стандартизации в строительстве.
Метрология - это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Основоположником метрологической службы в России является Д.И. Менделеев. По его инициативе в 1843 году в Санкт-Петербурге была создана Главная палата мер и весов (ныне НИИ метрологии им. Д.И. Менделеева).
Единство измерений предполагает, что результаты измерений выражены в узаконенных единицах и погрешности известны с заданной вероятностью. Для качественного выполнения процесса измерений и обеспечения требуемой точности показаний измерительных приборов необходимо обеспечить единообразие измерений, т.е. совпадение результатов измерений, производимых в разных местах разными приборами. Выполнение этого условия зависит от уровня и состояния средств измерений в строительной отрасли, их использования, т.е. от метрологического обеспечения.
Под единообразием средств измерений понимают градуировку их в указанных единицах и соответствие нормам их метрологических свойств.
В метрологии рассматривают:
- единицы физических величин и их системы;
- методы и средства измерений;
- общую теорию измерений;
- основы обеспечения единства и единообразия средств измерений;
- эталоны и образцовые средства измерений;
- методы передачи размеров единиц от эталонов или образцовых средств измерений рабочим средствам измерений.
Метрология является научной основой метрологического обеспечения, под которым понимают установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений, обработки полученных результатов, их оценки и представления в нормализованной форме. В узком смысле под метрологическим обеспечением понимают процесс подбора, комплектования и подготовки к работе различных измерительных приборов, необходимых для проведения конкретного испытания. Метрологическое обеспечение включает следующие основные направления:
- разработка и хранение эталонов единиц физических величин, используемых для воспроизведения их особо точных аналогов;
- воспроизведение и передача эталонных единиц с помощью образцовых приборов другим средствам измерений;
- разработка, аттестация, постановка на производство и выпуск в обращение рабочих средств измерений, обеспечивающих определение с требуемой точностью характеристик продукции, технологических процессов и других объектов в сфере материального производства, научных исследований и других видов деятельности;
- разработка стандартных справочных данных об основных физико-механических константах и свойствах материалов, методах их получения;
- проведение обязательных государственных и ведомственных поверок средств измерений с целью определения их пригодности к применению, оценки фактической точности воспроизведения измеряемых физических единиц.
Определим основные понятия, связанные с поверкой средств измерений.
Измерения неразрывно связаны с инженерными изысканиями, проектированием и строительством зданий и сооружений; в этом смысле они являются одним из важнейших путей познания проектируемого объекта строительства и создания его в процессе воздействия.
Соответствие положения установленных конструкций проектному проверяют в процессе исполнительной съемки, сущность которой составляют также измерения. Эксплуатация зданий требует регулярных измерений с целью проверки геометрических параметров, обеспечивающих условия нормальной их работы. И здесь измерения служат обеспечению надежности и долговечности работы конструкций зданий и сооружений как в пространстве, так и во времени
Измерением называют нахождение значений физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.
Основное уравнение измерения имеет вид (формула 2.1):
Q = qU, (2.1)
где: Q – значение физической величины;
q – числовое значение величины в принятых единицах;
U – единица физической величины.
В ходе эксперимента получают измеренное значение величины, т.е. значение величины, приближенно соответствующее ее истинному размеру. Следует отметить также истинное значение величины, которое выражает истинный размер величины в данных единицах измерения.
Результаты измерений должны быть сопоставимыми независимо от места, времени и используемых технических средств. Единство измерений достигается тем, что их производят стандартными методами, а результаты выражают в установленных стандартных единицах измеряемых физических величин. В настоящее время национальным органом, который занимается вопросами стандартизации и обеспечением единства измерений, является Федеральное агентство по технологическому регулированию и метрологии – Росстандарт.
Эталоном измерения называют меру или измерительный прибор, предназначенные для воспроизведения с наивысшей достижимой точностью хранения единицы физической величины в общегосударственном или международном масштабе. Существуют эталоны ньютона, ампера, секунды и других величин. Государственный реестр включает свыше ста первичных и специальных эталонов.
В научно-технической литературе термин «эталон» часто употребляют в широком смысле как образец для сравнения.
Поверка средств измерений – определение метрологическими органами погрешностей средств измерений и установление их пригодности к применению. Различают государственную (производится органами государственной метрологической службы) и ведомственную (производится органами ведомственных метрологических служб) поверку средств измерений.
Метрологическая аттестация средств измерений – исследование средств измерений, выполняемое метрологическими органами для определения метрологических свойств этих средств измерений, и выдача документа с указанием полученных данных. Государственную поверку производят специализированные органы метрологической службы, как правило, после длительного хранения приборов или после их ремонта. Ведомственные поверки производят регулярно перед применением приборов для оценки их работоспособности.
Метрологический надзор – контроль за производством, состоянием, применением и ремонтом средств измерений. По-верка или аттестация средств измерений сводится к сли-чению рабочих средств измерений с эталоном или об-разцовыми средствами измерений на основании поверочной схемы.
Поверочная схема – утвержденный в определенном порядке документ, устанавливающий средства, методы и точность передачи размера единицы физической величины от эталона рабочим средствам измерений.
Сущность разделения мер и приборов на рабочие и образцовые лежит не в конструкции и не в точности, а в назначении приборов. Прибор может предназначаться, как правило, или для практических измерений, или для хранения и передачи единиц, т.е. для использования в качестве образцового. Только меры и приборы самой низшей точности не могут быть образцовыми. Образцовые меры и приборы нельзя применять для практических измерений – это одно из основных правил метрологии. Образцовый прибор изолируется и выполняет только функции поверки и градуировки. Не каждую меру и не каждый измерительный прибор можно использовать как образцовые. К образцовым приборам предъявляют более высокие требования в отношении воспроизводимости, стабильности показаний, чем к аналогичным приборам.
Средства поверки – это технические средства, необходимые для осуществления поверки средств измерений в соответствии с требованиями нормативно-технических документов на методы и средства поверки. Средства поверки включают в себя рабочие эталоны, образцовые средства измерений, в том числе стандартные образцы и образцовые меры, вспомогательные приборы, устройства и материалы, поверочные приспособления.
Средства измерений – это технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики. Они состоят из системы мер, измерительных приборов и преобразователей, а также измерительных установок и систем.
Под измерительным прибором понимают средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдения. Измерительный преобразователь – средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдением.
Измерение включает следующие элементы: объект измерения, свойства или состояние которого характеризует измеряемая величина; единицу измерения; техническое средство измерения, градуированное в выбранных единицах; метод измерения; регистрирующее устройство, воспринимающее результат измерения; окончательный результат измерения.
Измерения характеризуются рядом параметров:
1) погрешностью измерения – разностью между истинными и измеренными значениями величин;
2) точностью измерения – степенью приближения результатов измерения к истинному значению;
3) достоверностью измерения – вероятностью отклонения измерения от истинного значения;
4) диапазоном измерений – областью значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средств измерений;
5) ценой деления шкалы – разностью значений величины, соответствующей двум соседним отметкам шкалы;
6) пределом измерений – наибольшим и наименьшим значением диапазона измерений;
7) чувствительностью измерительного прибора – отношением изменения сигнала на выходе измерительного прибора к вызвавшему его изменению измеряемой величины.
Различают три класса измерений:
- особо точные,
- высокоточные,
- технические.
Особо точные – связаны с установлением эталона, высокоточные измерения проводятся при градуировании измерительных систем, а также при проведении измерений в особо ответственных испытаниях. Технические – производят с помощью средств измерений технического класса точности. Применяются в практике испытаний строительных конструкций.
Всякое измерение неизбежно связано с погрешностями измерений. Погрешности, порожденные несовершенством метода измерений, неточной градуировкой и неправильной установкой измерительной аппаратуры, называют систематическими. Систематические погрешности исключают введением поправок, найденных экспериментально.
В настоящее время для устранения систематических погрешностей применяется микропроцессорная техника. Случайные погрешности обусловлены влиянием на результаты измерений неконтролируемых факторов (случайные колебания температуры, вибрация и т. д.). Такие погрешности оцениваются методами математической статистики по данным многократных измерений. При измерениях могут возникать грубые ошибки, вызванные неисправностью измерительных систем, ошибками регистратора и т. д. Эти ошибки также могут быть выявлены методами математической статистики.
Стандартизованы методы и средства измерений, предназначенные для определения:
- состава материалов (химического, минерального, фазового);
- структуры материалов (твердого вещества, порового пространства);
- показателей качества, установленных стандартом технических условий на данный материал.
Показатели качества могут быть:
- физическими величинами с соответствующей размерностью, общими в качественном отношении для материалов, но индивидуальными для каждого материала в количественном отношении (плотность, теплопроводность и др.);
- техническими характеристиками, измеряемыми в условных единицах и оцениваемыми по условным шкалам (водонепроницаемость, морозостойкость и т.п.).
Для определения показателей качества применяют физические методы, использующие законы физики и соответствующие количественные зависимости, а также сравнительные методы измерения технических характеристик в условных единицах (циклы замораживания и оттаивания и т.п.). В некоторых случаях удается установить корреляционную связь между физическим и техническим показателями качества материала. Примером является связь между коэффициентом фильтрации воды и маркой по водонепроницаемости бетона. Единицы физических величин, необходимые в строительно-монтажных работах, а также наименования и обозначения единиц устанавливают СН 528-80 «Перечень единиц физических величин, подлежащих применению в строительстве».
Стандартизация средств измерений возможна лишь после проведения их государственных испытаний. Государственные испытания включают в себя экспертизу технической документации на вновь разрабатываемые средства измерений и их экспериментальное исследование, проводимые органами государственной метрологической службы либо по их поручению. Эти испытания проводят для определения степени соответствия средств измерений установленным нормам, потребностям промышленности и современному уровню развития приборостроения, а также целесообразности их производства. Следует отметить, что иногда стандартизуются методы, которые требуют применения средств измерений, не выпускаемых серийно и не имеющих метрологического обеспечения. В этих случаях стандарт не может считаться внедренным, а результаты его использования не имеют юридической силы.
Проблемы метрологического обеспечения измерений неразрывно связаны с задачами, стоящими перед стандартизацией.
Стандартизация – это установление и применение правил для упорядочения деятельности в определенной области на пользу и при участии всех заинтересованных сторон и, в частности, для достижения всеобщей оптимальной экономии при соблюдении функциональных условий и требований техники безопасности.
Объектами стандартизации являются конкретная продукция, нормы, требования, методы, термины, обозначения и т. д., имеющие перспективу многократного применения, используемые в науке, технике, строительстве.
В строительстве стандартизации подлежат методы рас-чета и проектирования конструкций и сооружений, требования к материалам и изделиям, допуски на стадии монтажа и строительства конструкций зданий и сооружений, методы испытаний и проведения измерений, методы представления и обработки получаемых результатов измерений и т. д.
Сущность новой системы технического регулирования в строительстве
В связи с начавшейся реформой правового регулирования отношений в сфере производства, контроля качества материальной продукции идет процесс пересмотра всей существующей системы нормативных документов, в том числе и в строительной отрасли. Поскольку в учебной литературе происходящие изменения еще не получили освещения, представляется целесообразным ознакомиться с ними.
В 2003 году вступил в действие Федеральный закон «О техническом регулировании».
Понятие «техническое регулирование заключает в себе все то, что связано с нормированием обязательных требований к продукции материального производства, процессам и иным объектам технического регулирования, а также их стандартизации, сертификации и правовому регулированию отношений при оценке соответствия их задекларированным свойствам.
До введения в действие закона о техническом регулировании в области строительства техническое регулирование осуществлялось посредством нормативных документов – СниПов, ГОСТов, утвержденных федеральными или региональными органами управления, соблюдение и исполнение которых являлось обязательным. В этих документах содержалось много требований, ненужных в условиях рыночной экономики, а исключительно государственная система сертификации продукции ограничивала инициативу предпринимателей в вопросах изменения потребительских свойств с целью повышения ее конкурентоспособности.
Цель закона о техническом регулировании – создание правовой основы для сближения существующей в России национальной системы технического регулирования с международными нормами, а также сведение функций государства к требованию и контролю исключительно по вопросам, связанным с безопасностью продукции материального производства. Эти требования распространяются как на продукцию, находящуюся в обращении на внутреннем рынке, так и на импортируемую из-за рубежа.
В соответствии с законом о техническом регулировании общие обязательные требования по безопасности продукции материального производства излагаются в главном отраслевом нормативно-правовом документе – «Общем техническом регламенте» и в дополняющих его «Специальных технических регламентах». Исполнение требований, содержащихся в этих документах, является обязательным и подлежит государственному контролю.
Для детализации требований общего и специальных технических регламентов разрабатываются ведомственные нормативные документы добровольного применения, которые должны содержать доказательную базу, гарантирующую соблюдение требований технических регламентов.
Все документы по субординации разделены на два уровня. Высший уровень составляют технические регламенты – общий и специальные. Документы этого уровня имеют государственный законодательный статус. Во второй уровень, подчиненный, входят все остальные нормативные документы, имеющие статус документов добровольного применения.
Структура системы разрабатываемых нормативных документов для строительной отрасли приведена на рис. 2.1.
В настоящее время основополагающим правовым документом является Федеральный закон Российской
Федерации от 30.12.2009 г. №384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений». В нем установлены требования по общим аспектам безопасности всех зданий и сооружений гражданского и промышленного назначения на всех стадиях их жизненного цикла, включая инженерные изыскания, проектирование, строительство, эксплуатацию, снос.
 |
Рис. 2.1. Система нормативных документов технического регулирования в строительстве
Регламент устанавливает шесть видов безопасности строительной продукции – механическую, пожарную, условий проживания (биологическую, химическую, радиационную), условий пользования (электробезопасность, термо-безопасность), безопасность в сложных природных и техногенных условиях. Даже безопасность зданий с точки зрения их воздействия на окружающую среду. Эти комп-лексные требования призваны сделать максимально комфортными условия пребывания людей в квартирах, школах, клубах, общественных и производственных помещениях. А в чрезвычайных обстоятельствах – еще и сохранить здоровье и жизнь, предотвратить имущественный ущерб. В частности, правила пожарной безопасности предусматривают такое проектирование, строительство и эксплуатацию зданий, при которых исключается всякая возможность возгорания. В случае же катаклизмов постройки должны устоять ровно столько времени, сколько это необходимо для эвакуации людей. Одно из важнейших требований регламента – обеспечение доступа пожарных к любым точкам помещения.
Вопросы планировки и эксплуатации помещений также «в поле внимания» технического регламента. Документ регламентирует требования к качеству воды, воздуха, нормы инсоляции, защиту от шума, максимально допустимый уровень напряженности электромагнитных полей и ионизирующих излучений в зданиях. Там не должны возникать «угрозы несчастных случаев и нанесения травм» из-за разного рода скольжений, падений, столкновений, ожогов, поражений электрическим током.
Подумали авторы документа и об инвалидах. Им в техническом регламенте посвящена отдельная глава. Главное, что отныне все лестницы, лифты, подъемники, словом, объекты «транспортной инфраструктуры» в зданиях должны быть оборудованы специальными удобными приспособлениями для людей с ограниченными возможностями.
Еще одна новация документа в том, что отныне владельцы и пользователи зданий обязаны будут их идентифицировать по уровню ответственности - он может быть повышенный, нормальный и пониженный. От уровня ответственности будут зависеть коэффициенты, закладываемые в расчетные формулы при выполнении проектных работ.
Ответил закон и на вопрос, что дальше будет с действующими на нынешний момент строительными нормами и правилами, оставшимися с советских времен. Согласно документу СНиПы, СанПиНы и ГОСТы, конкретизирующие те или иные положения техрегламента, перейдут в правительственный перечень, будут называться сводами правил. В дополнение к ним будут разрабатываться и национальные строительные стандарты. Своды правил и национальные стандарты при необходимости смогут пересматриваться и актуализироваться государством, но не реже, чем в пять лет.
Техрегламент вступил в силу 30 июня 2010 года. Планировалось на уровне правительства утвердить отдельным перечнем своды правил и национальных стандартов, однако на настоящее время эта работа до конца не выполнена.
Принятие техрегламента – это только первый шаг по реформированию системы технического нормирования в сфере градостроительной деятельности. Для того, чтобы иметь возможность реально пользоваться данным техническим регламентом, необходимо переработать 162 технических документа в различных сферах. Ожидается, что с вступлением в силу техрегламента в этот процесс активно включится бизнес, в частности, строительные саморегулируемые организации. По мнению экспертов, к европейскому уровню строительства страна приблизится тогда, когда бизнес будет сам финансировать разработку нормативов, обеспечивающих качество как стройматериалов, так и зданий и сооружений. Именно такой порядок сложился в Германии, где институт нормирования является частной организацией, работающей по контракту с государством. В Германии бизнес на 98 % финансирует разработку строительных нормативов, влияющих на качество, а безопасность берет на себя государство. В этом же направлении должна идти и Россия, заявляют эксперты.
Специальные технические регламенты разрабатываются в дополнение к общему, в них устанавливаются специальные требования безопасности к зданиям и сооружениям определенного назначения.
В систему нормативных документов добровольного применения входят следующие:
- Федеральные строительные нормы (ФСН), своды правил к ним (ФСП);
- Территориальные строительные нормы (ТСН);
- Национальные стандарты России.
Федеральные строительные нормы (ФСН) содержат положения, которые обеспечивают соблюдение требований общего и специальных технических регламентов, а Федеральные своды правил (ФСП) содержат рекомендуемые способы, применение которых позволяет обеспечить соблюдение требований технических регламентов, строительных норм и правил.
Территориальные строительные нормы (ТСН) устанавливают (для добровольного применения) правила типологического социально-экономического и технического характера, учитывающие природно-климатические, социально-демографические, национальные и иные особенности субъектов Российской Федерации, не противоречащие нормативным документам федерального уровня. Соблюдение данных норм допускается только в пределах территории данного субъекта Российской Федерации.
Национальные стандарты Российской Федерации – утвержденные Росстандартом нормативные документы, устанавливающие конкретные параметры и характеристики отдельных частей зданий, сооружений, требования к строительным материалам и изделиям, а также методы их испытаний и т.п.
В соответствии с Законом №384-ФЗ, статус ГОСТов понижается с уровня документов обязательного до добровольного применения. Обязательный характер имеют только положения, определяющие безопасность продукции. Закон не требует отмены действующих ГОСТов. Они будут постепенно заменяться техническими регламентами, однако потребителям предоставляется право пользоваться действующими на территории Российской Федерации национальными и государственными стандартами.
Сертификация и декларирование соответствия
Сертификация и декларирование соответствия – это две формы подтверждения того, что предъявленная продукция удовлетворяет требованиям соответствующих технических регламентов, а до введения в действие новых технических регламентов удовлетворяет действующим государственным стандартам, строительным нормам и правилам.
Подтверждение соответствия может носить добровольный или обязательный характер. Как правило, сертификация или декларирование производятся на добровольной основе. Обязательный характер они носят, если для данного вида продукции это оговорено в техническом регламенте.
Сертификат соответствия или декларацию соответствия на основании протоколов проведенных испытаний и других сопровождающих документов, представленных заявителем, имеет право выдать только орган по сертификации, аккредитованный Правительством Российской Федерации в установленном порядке.
Стандарты существенно влияют на темпы развития и уровень производства. Базируясь на последних достижениях науки, техники и практического опыта, стандартизация во многом не только фиксирует достигнутый уровень производства, но и является одним из рычагов прогресса науки и техники.
Вопросы для самоконтроля:
1. Назовите основные этапы обследования строительных конструкций.
2. Какую информацию дает визуальная оценка сооружения?
3. Перечислите положительные и отрицательные стороны неразрушающих методов испытания.
4. Сформулируйте основные задачи, которые решаются с помощью испытаний.
5. Что такое метрология?
Рекомендация для Вас - 5 Услуги сетей транкинговой связи.
6. Что предполагает единство измерений?
7. Какие системы включает метрологическое обеспечение?
8. Что рассматривают в метрологии?
9. Приведите основное уравнение измерения.
10. Что называют эталоном измерения?
11. В чем заключается сущность новой системы технического регулирования в строительстве?
