способ оценки эксплуатационных характеристик ограждающих конструкций зданий и сооружений

Формула изобретения

Способ оценки эксплуатационных характеристик ограждающих конструкций зданий и сооружений, включающий определение физических параметров материала конструкций, отличающийся тем, что выбуривают керн из ограждающей конструкции, разрезают его на круговые пластины, каждую пластину сушат и шлифуют и определяют плотность, после чего последовательно увлажняют, создают ряд значений влажности U в диапазоне 0 U U_max, в каждой пластине различной влажности возбуждают механические колебания и снимают спектрограмму, по которой определяют динамический модуль упругости и рассчитывают прочность материала пластины на сжатие, одновременно в каждой пластине при возбуждении механических колебаний создают односторонний тепловой импульс, определяют изменение избыточной температуры поверхности пластины во времени и по этим данным рассчитывают коэффициент теплопроводности и термическое сопротивление пластины, устанавливают зависимость между термическим сопротивлением пластины и прочностью на сжатие от плотности и влажности, а термическое сопротивление и прочность материала на сжатие ограждающих конструкций зданий и сооружений определяют по установленной зависимости при эксплуатационных значениях плотности и влажности материала по толщине исследуемой конструкции.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области контроля эксплуатационных характеристик ограждающих конструкций зданий и сооружений. Несущая способность и термическое сопротивление ограждающей конструкции являются наиболее важными эксплуатационными характеристиками. Их контроль необходим для определения ресурса ограждения по этим показателям и принятия обоснованных решений по осуществлению профилактического ремонта или реконструкции.

Известны многочисленные способы теплового контроля [1] элементов зданий и сооружений, которые позволяют выявлять дефекты стыка панелей, трещины и другие дефекты, ухудшение теплоизоляционных свойств и т.д. Среди них способ термовизионного контроля [2] который обладает рядом неоспоримых достоинств: дистанционность, высокие скорость обработки информации и производительность испытаний, возможность контроля при одно- и двустороннем подходе к объекту исследования, слабая зависимость результатов контроля от состояния поверхности объекта исследования и т.д.

Недостатки способа необходимость избыточного (по сравнению с окружающей средой) теплового излучения объектов исследования, заметное влияние внешних тепловых помех, необходимость взаимодополняющего сочетания с другими способами исследования.

Известен способ определения сопротивления теплопередаче [3] основанный на создании в ограждающей конструкции условий стационарного теплообмена и измерении температуры внутреннего и наружного воздуха, температуры поверхностей ограждающей конструкции, а также плотности теплового потока, проходящего через нее, по которым вычисляют искомые величины по известным соотношениям.

Недостатки способа возможность проведения натурных испытаний эксплуатируемых зданий только в зимний период и при условии наступления стационарного теплообмена, возможность получения информации только о теплозащитных свойствах ограждения и только интегральных значений искомых величин для всего исследуемого ограждения.

Из многочисленных способов оценки прочностных качеств ограждающих конструкций зданий и сооружений, таких как склерометрия, ультразвуковое прозвучивание, акустическая эмиссия, молотки упругого отскока различной конструкции и т.д. наиболее информативным является способ [4] в котором с помощью подвижной компьютерно-геофонной системы производят до трех тысяч циклов исследования прочности, каждый из которых включает около 2000 отдельных измерений.

Однако этот огромный экспериментальный массив несет информацию только о слое конструкции, в котором распространяется упругая волна. Способ нельзя признать исчерпывающим при оценке прочностных качеств строительных материалов на всей глубине термоактивной зоны конструкции, где происходят процессы деструкции.

Анализ известных способов показывает, что даже при их совместном использовании полученная информация не дает необходимого представления о несущей способности и теплозащитных качествах ограждающих конструкций и не позволяет принимать экономически обоснованные решения по профилактическому ремонту или реконструкции.

Цель изобретения комплексная оценка каждого исследуемого сечения ограждающей конструкции для принятия экономически обоснованных решений по профилактическому ремонту или реконструкции.

Это достигается благодаря тому, что в намеченных к обследованию сечениях выбуривают керны, которые затем разрезают на круговые пластины, сушат, шлифуют и центрируют. Для каждой пластины определяют плотность материала, после чего их последовательно увлажняют и создают ряд значений влажности u в диапазоне 0uu_max, где u_max -максимальная эксплуатационная влажность. Далее в каждой из подготовленных таким образом пластин возбуждают упругие механические колебания и одновременно создают одностороннее воздействие кратковременного теплового импульса, снимают спектрограммы и отслеживают измеpение избыточной температуры поверхности пластины, подверженной тепловому импульсу, и по известным соотношениям рассчитывают: по спектрограммам динамический модуль упругости и прочность на сжатие, по изменению температуры поверхности пластины теплофизические характеристики (температуропроводность, тепловую активность, теплопроводность и теплоемкость). Затем для совокупности испытанных пластин с разными влажностями находят коэффициенты частной и множественной корреляции между соответствующими значениями прочности на сжатие, коэффициентов теплопроводности, плотности и влажности материала. При наличии тесной корреляционной связи создают многомерную регрессионную модель и для каждого исследованного сечения строят графическую зависимость изменения каждого параметра по толщине ограждения и рассчитывают несущую способность и термическое сопротивление каждого исследованного сечения ограждения.

Способ осуществляется следующим образом.

В намеченных к обследованию сечениях конструкции выбуривают керны, которые затем разрезают на круговые пластины, сушат, шлифуют и центрируют. Для каждой пластины определяют плотность материала, после чего их последовательно увлажняют и создают ряд значений влажности u в диапазоне 0uu_max, где u_max максимальная эксплуатационная влажность.

В каждой из подготовленных таким образом пластин возбуждают упругие механические колебания и одновременно создают одностороннее воздействие кратковременного теплового импульса, регистрируют спектрограммы и отслеживают изменение избыточной температуры поверхности пластины, подверженной тепловому импульсу, и по спектрограммам рассчитывают значения динамического модуля упругости и прочности на сжатие по формулам:

E_д= и R_сж= E_д(1-)³K³

(1) где Е_д, R_сж динамический модуль упругости, прочность на сжатие материала соответственно; r, h радиус, толщина пластины, f линейная частота возбуждения; A коэффициент формы упругих колебаний; - коэффициент Пуассона; К эмпирический коэффициент, - объемная плотность материала.

По изменению избыточной температуры поверхности пластины вычисляют

b^*_j b_э, j 1.n где q удельное количество выделенного тепла; Т_j избыточная температура поверхности пластины в соответствующий момент времени _j; b тепловая активность эталонного материала, находящегося в тепловом контакте с поверхностью пластины, подверженной воздействию теплового импульса; индексы принадлежности j 1.n соответствуют номерам измерений, производимых через равные промежутки времени -.

При толщине пластины hh*, где h*-4a_м* lg[Tb_м(_k)^1/2/q]^1/2; * промежуток времени, достаточный для проведения необходимого при расчете искомого коэффициента тепловой активности числа измерений k избыточной температуры Т, т. е. _k k; a_м, b_м априорные значения коэффициентов температуропроводности, тепловой активности, рассчитывают среднюю величину коэффициента тепловой активности материала пластины по формуле

= b^*_j (2) где k удовлетворяет условиюb_k* b_k-1*| 0,5 _b* < b_k+1*-b_k*| _b* абсолютная ошибка вычисления величины b_j*, определяемая по формуле:

+ где _т, - абсолютные ошибки измерения температуры и времени.

Далее определяют единичные и среднее значения коэффициента температуропроводности материала пластины по формулам:

a= h²/_jln l 1.L = a где b₁*, b_j*, соответствующие моментам времени _j 2_i, L число проведенных испытаний при условии _j 2_i.

При толщине пластины h<h* рассчитывают единичные и среднее значения тепловой активности по формулам:

b= k 1.K, = b где значения b_j-1*, b_j*, b_j+1* выбирают для моментов времени _j-1, _j, _j+1, которые связаны между собой соотношением _j-1 y_j* (2y-1) _j+1 при 0,5 < y<1,0; K число возможных комбинаций триады b_j-1*, b_j*, b_j+1*, удовлетворяющей набору принятых значений y.

Расчет единичных и среднего значений температуропроводности осуществляют по формулам:

a= h²/_jln j 1.n = a где b_o тепловая активность среды, соприкасающейся с плоскостью пластины, которая не подвергается импульсному тепловому воздействию.

Значения остальных теплофизических характеристик вычисляют по формулам

_м b_м(а_м)^1/2, (c ) b_м/(a_м)^1/2.

Для всей совокупности испытанных пластин однородной ограждающей конструкции или каждого отдельного материала, например многослойной конструкции, находят коэффициенты частной и множественной корреляции между соответствующими значениями прочности на сжатие материала, коэффициентов теплопроводности, плотности и влажности материала. При наличии тесной корреляционной связи создают многомерную регрессионную модель. Указанные в настоящем разделе действия и их последовательность осуществляют согласно соответствующим разделам математической статистики, (Зак Л. Статистическое оценивание. М. Статистика, 1976).

Для каждого исследованного сечения строят графическую зависимость изменения каждого параметра по толщине ограждения и рассчитывают несущую способность и термическое сопротивление ограждения по формулам:

= (R_сж)_i, R_тс= R_i где (R_сж)_i значение прочности на сжатие материала i-ой пластины сечения с учетом эксплуатационной влажности материала, n количество пластин в сечении; R_i термическое сечение i-ой пластины сечения, R_{i i}/_i; здесь _i толщина i-ой пластины, _i коэффициент теплопроводности материала i-ой пластины с учетом эксплуатационной влажности.

Осуществленная таким образом совокупность действий позволяет получить необходимый и достаточный массив информации для определения ресурса ограждения по таким важным эксплуатационным характеристикам, как несущая способность и теплозащитные качества ограждающих конструкций, и принятия обоснованных решений по осуществлению или профилактического ремонта, или реконструкции.

Результаты осуществления последнего из указанных действий имеют очень важное самостоятельное значение. Например, банк таких данных и оперативные испытания термовизионным методом в совокупности позволяют получить предварительную информацию по всему исследуемому строительному объекту и наметить оптимальную программу исследований по предлагаемому способу.

Способ найдет широкое применение при контроле эксплуатационных качеств ограждающих конструкций зданий и сооружений, для комплексного определения их ресурса и принятия обоснованных решений по осуществлению профилактического ремонта или реконструкции.