ОПРЕДЕЛЕНИЕ СВОЙСТВ СТАЛИ НЕРАЗРУШАЮЩИМИ МЕТОДАМИ КОНТРОЛЯ ПРИ ОБСЛЕДОВАНИИ КОНСТРУКЦИЙ

В настоящее время всё большее распространение при проведении обследований конструкций зданий и сооружений получают методы неразрушающего контроля. Приборы, использующие данные методы, позволяют получить характеристики свойств без забора необходимого материала для изготовления образцов и их испытаний в лабораторных условиях. Вырез материалов из конструкции, особенно находящейся в эксплуатации, сопряжен с определенными трудностями. И не всегда удается сделать это корректным образом, не причинив конструкции существенного вреда. Поэтому применение передовых методов неразрушающего контроля является экономически целесообразным, снижающим сроки и затраты на проведение обследования.

Определение фактических прочностных характеристик металлических конструкций возможно методом замера твёрдости.

В процессе обследования металлоконструкций зданий и сооружений достаточную надёжность в температурном режиме до минус пяти градусов Цельсия показал портативный комбинированный твердомер МЕТ-УД, предназначенный для контроля твёрдости металлов и сплавов по стандартизованным в России шкалам [1, с. 78]. Аппараты подобного действия типов ТЭМП-2 и ТЭМП-4 также широко применяются в процессе обследований металлоконструкций.

Практика применения подобного рода приборов при натурном освидетельствовании конструкций показала, что температура окружающей среды вносит существенные коррективы в работу с ними. Необходимо их содержание в теплом месте, так как прибор отказывает в работе при относительно низких температурах. Наличие дополнительных элементов питания продлевает его работоспособность.

В настоящее время стальные конструкции широко применяются в несущих элементах различных зданиях и сооружениях. Для поддержания нормальных условий эксплуатации и технического состояния работы конструкций в течение всего срока эксплуатации необходимо контролировать и обследовать здания и сооружения.

Большую роль данные о состоянии работы конструкций имеют при реконструкции и реставрации зданий и сооружений. Данные позволяют сократить расход металла на усиление и правильно рассчитать нагрузки, которые конструкция может воспринимать. Одним из основных параметров металлических конструкций, определяющим работоспособность является прочность материала.

Основным методом определения прочности металла в конструкциях зданий и сооружений является отбор проб и их испытание на растяжение по ГОСТ 1497-84* «Металлы. Методы испытания на растяжение». Этот способ отличается тем, что полученное в результате значение прочности наиболее точное. Основными недостатками этого метода являются ослабление элементов при отборе проб, очень высокая трудоемкость отбора и дальнейшее восстановление элемента.

Связь между прочностью металла и его твердостью достаточно известна, а соотношение между данными параметрами сталей указано в ГОСТ 22761-77 «Метод измерения твердости по Бринеллю переносными твердомерами статического действия». В различных источниках приводятся разные аналитические зависимости. Так в СТО 22-04-02 «Руководство по отбору микропроб, проб и определению механических свойств сталей в металлических конструкциях неразрушающим методом» указана формула:

                                                  (1)

При этом зависимость рассматриваемых параметров, указанная в справочнике Морозова А.С., Ремнева В.В., Тонких Г.П. «Организация и проведение обследования технического состояния строительных конструкций зданий и сооружений», имеет вид:

                                          (2)

где К = 0,34 при НВ<175 и К = 0,36 при НВ>175.

Результаты значений прочности, полученные по этим зависимостям, имеют существенные отличия и иногда значительно отличаются от истинной прочности испытываемого элемента. Например, в результате одного из проведенных авторами исследований на профиле металлопроката из стали Ст3сп, были получены значения твердости и прочности, представленные в таблице 1.

Таблица 1.

Значения твердости и прочности профиля металлопроката из стали Ст3сп

Как видно из данных, приведенных в таблице 1, определенные косвенным методом значения прочности имеют различия до 9 % при разном способе пересчета и отличаются от истинного значения предела прочности на величину до 13 %.

Известны исследования различных ученых, таких как, М.С. Дрозд «Определение механических свойств металла без разрушения», В.М. Хомич «Экспериментальное исследование взаимосвязи предела текучести и некоторых чисел твердости строительных сталей» и другие, направленные на уточнение и анализ зависимости «твердость-прочность». Однако большинство исследований основано на измерении твердости в лабораторных условиях по отобранным образцам, что приведет к ослаблению элемента конструкции.

Помимо вышеуказанного, в литературе отсутствуют методические указания по применению методов неразрушающего контроля твердости в полевых условиях (на строительной площадке или в эксплуатируемом здании). Нет рекомендаций по учету влияния на результат измерения факторов, возникающих при проведении измерений. К данным факторам в первом приближении относят:

·     расположение участка измерения;

·     толщина испытываемого элемента;

·     качество обработки испытываемой поверхности;

·     напряженно-деформированное состояние элемента;

·     наличие и величина остаточных напряжений;

·     марка стали.

Имеется большое количество приборов неразрушающего метода контроля твердости, позволяющих выполнять измерения в полевых условиях. К таким приборам относятся: TH-130, TH-132, TH 134, TH140B, TH150, TH160, TH170.

Основные методы, применяемые в них — это ультразвуковой и динамический. В динамическом методе определяется косвенная характеристика — отношение скорости при ударе и отскоке индентора. В ультразвуковом методе измеряемым параметром является частота колебаний индентора, при его внедрении в образец на определенную глубину под действием постоянного усилия. Значения косвенных характеристик в дальнейшем переводятся в число твердости [2, с. 376].

В лаборатории СКФ БГТУ им. В.Г. Шухова были произведены экспериментальные исследования на образцах из прокатных профилей различного поперечного сечения, выполненных из различных марок стали.

Для определения твердости металла в ходе исследований использован прибор TH-160 (динамический метод).

В работе исследовалось влияние на результаты измерений вида обработки поверхности исследуемого объекта. Обработка поверхности при применении портативных твердомеров является обязательным условием, а от качества ее выполнения во многом будет зависеть точность результата измерения. Для реализации эксперимента, поверхность образцов была обработана несколькими различными способами:

1.  Зачистка от окрасочного слоя;

2.  Зачистка от слоя окалины;

3.  Шлифовка поверхности шлифовальными кругами различной зернистости.

Последний вид обработки исследовался более детально для изучения влияния зернистости шлифовальных кругов и шероховатости обработанной поверхности на результаты измерений.

На рисунке 1 представлены графики результатов измерений твердости динамическим методом при различных видах обработки. Наглядно представлен разброс значений, характеризующий измерения при различных условиях.

Рисунок 1. График значений твердости при различной обработке поверхности

В результате исследований установлено, что подготовка поверхности оказывает существенное влияние на погрешность измерений твердости. В результате коэффициент вариации в первом и во втором испытаниях составил 18,7 % и 27,5 %. Выявленный разброс данных не допустим для выполнения исследований. Шлифовка поверхности перед выполнением измерений является обязательным условием для применения портативных твердомеров.

Выявлено, что зернистость шлифовальных кругов (от Z-40 до Z-120) практически не оказывает влияния на дисперсию значений. Коэффициент вариации при обработке составляет 3,6…5,2 %. При этом шероховатость обработанной поверхности, по данным анализа, составила 0,38…1,87 мкм, что является допустимым для применения динамического и ультразвукового методов.

В результате испытания динамическим методом было выявлено, что результат измерений в упругой зоне профиля (край полки, середина стенки) в три-четыре раза ниже, чем в не упругой (зоны сопряжения стенки с полкой). В результате испытаний ультразвуковым методом выявлено, что значения твердости изменяются по всему сечению профиля не существенно.

По результатам выполненных исследований сформулированы следующие выводы:

1.  Выполнение обработки поверхности образца шлифовкой является обязательным условием для проведения измерений. При этом зернистость шлифовальных кругов в определенном диапазоне не оказывает существенного влияния на погрешность измерений.

2.  Меньшей погрешностью характеризуются измерения, выполняемые в наиболее жесткой части сечения профилей — в зоне стыка полки и стенки. Влияние данного фактора при использовании ультразвукового метода практически отсутствует.

3.  Значение прочности стали близкое к истинному значению получено по пересчету твердости по таблице ГОСТ 22761-77. «Метод измерения твердости по Бринеллю переносными твердомерами статического действия».

4.  Близость участка измерения к сварному шву оказывает значительное влияние на погрешность измерений. Повышенная твердость в зоне сварного шва сохраняется в зоне приблизительно равной трем ширинам шва.

Список литературы:
1.    Гуляев А.П. Металловедение: Учебник для вузов. 6-е изд., перераб. и доп. — М.: Металлургия, 1986. — 544 с.
2.    Соколов В.А. Определение категорий технического состояния строительных конструкций зданий и сооружений с использованием вероятностных методов распознавания / В.А. Соколов // «Предотвращение аварий зданий и сооружений»: сборник научных трудов IV Международной конференции. — № 9. — М., 2010. — С. 375—387.