Lektsii_ispyt

11

Однако для ускорения процесса испытания нередко приходитеся прибегать к сокращению числа ступеней разгрузки. Их следует тогда брать кратными ступеням нагружения, с тем чтобы совпадение соответствующих точек прямого и обратного ходов все же сохранялось.

При повторных (циклических) загружениях нагрузка после каждого цикла должна сниматься не полностью, а доводиться до уровня первой (начальной) ступени. Этим обеспечивается необходимая жесткость испытания, поскольку все нагрузочные устройства остаются включенными. При полной же разгрузке не исключена возможность небольших перекосов и смещений нагрузочных устройств, что затрудняет сопоставление получаемых результатов.

2.2.3. Режим выдерживания нагрузки

Для выяснения закономерности приращения перемещений и деформаций после приложения нагрузки обычно бывает достаточна выдержка:

•для металлических конструкций - от 15 до 30 мин;

•железобетонных конструкций - около 24ч;

•деревянных конструкций - от 12ч до нескольких суток.

Если перемещения и деформаций при постоянной нагрузке в указанные выше сроки не затухают, то время ее выдерживания удлиняется. Если замедления нарастания перемещений и деформаций не наблюдается, то испытываемый объект является негодным для эксплуатации в заданных условиях.

Для выборочных испытаний образцов железобетонных изделий серийного изготовления ГОСТ 8829-60 предусматривает обязательную вы-

держку:

-при контрольных загружениях на жесткость и трещиностойкость - не менее 30 мин;

-после каждой промежуточной ступени загружения - не менее 10 мин. Указания о длительности выдержки испытательной нагрузки имеются

ив других нормативных документах.

Так, например, при приемке стальных вертикальных цилиндрических резервуаров выдерживание их под гидростатическим давлением осуществляется для емкостей до 5000 м3 включительно - не менее 24ч, а свыше 10000 м3 - не менее 72ч.

Лекция 3

3.1. Проведение статических испытаний

3.1.1. Подготовительные работы Большие трудоемкость и стоимость статических загружений, наряду с

трудностью (а в отдельных случаях и невозможностью) повторения испытаний, требуют тщательной предварительной отработки их программы. Правильность ее выбора в значительной степени предопределяет как эффективность всей предстоящей работы, так и надежность всех данных, получаемых в результате испытания.

12

Перед началом испытаний должна быть проведена необходимая подготовка: смонтированы нагрузочные приспособления и подготовлена нагрузка; установлены подмости и ограждения; обеспечено, если это вызывается условиями испытаний, дополнительное освещение мест установки приборов; согласованы перерывы в эксплуатации исследуемого объекта и

Предварительные подсчеты. Уточняется требуемая испытательная нагрузка и определяются соответствующие этой нагрузке значения перемещений, деформаций, напряжений и усилий, возникающих в исследуемых элементах конструкций.

Такие подсчеты являются продолжением перерасчетов, выполняемых по результатам освидетельствования, и производятся с учетом всех выявленных при этом отступлений от проекта, уточненных характеристик материала, обнаруженных ослаблений и т. д. В сооружениях с неявно выпаженной расчетной схемой, допускающей выбор нескольких возможных вариантов, предварительные подсчеты должны быть выполнены по всем этим схемам. Сравнение с результатами испытаний позволяет в дальнейшем выбрать из них схему, наиболее близкую к действительной работе сооружения.

Аналогично поступают в отношении модуля упругости и других характеристик материала, если до начала испытания значения их не могут :ыть надежно определены. Эти подсчеты ведутся в пределах возможных диапазонов с дальнейшим уточнением фактических значений по результатам испытаний.

3.1.2. Методы и средства приложения силовых нагрузок при исследовании несущей способности строительных объектов

Классификация силовых нагрузок

Методы приложения силовых нагрузок зависят от тех задач, которые ставятся при проведении испытаний. Испытания проводят как на реальных конструкциях, так и на их макетах и моделях. Цель проводимых испытаний заключается в выявлении несущей способности, жесткости и трещиностойкости конструкций, зданий и сооружений.

При испытании реальных объектов может быть поставлен вопрос об оценке действительного состояния эксплуатируемой конструкции, для этого применяются только неразрушающие методы, а при испытании опытной конструкции наряду с неразрушающими методами возможно применение и разрушающих методов, когда объект доводится до полного исчерпания им несущей способности.

Макет для испытаний представляет собой изделие, которое упрощенно воспроизводит объект испытаний или его часть.

Модель — это изделие, представляющее вопроизведение объекта испытаний или его части, также выполненное в определенном масштабе. Основное отличие макета от модели заключается в степени упрощения

13

воспроизведения испытаний. Для модели необходимо установление соответствующих численных соотношений с реальным или проектируемым объектом, основанных на использовании теории подобия. Макеты и модели, как правило, применяются в научно-исследовательских испытаниях.

Метод испытаний определяется совокупностью правил применения определенных принципов для осуществления испытаний. Эти правила заключаются в создании внешних воздействий, использовании соответствующей измерительной аппаратуры, применении автоматизированных комплексов регистрации и обработки и формы представления результатов испытаний. В настоящее время, когда испытания носят комплексный характер и когда используется дорогостоящая измерительная аппаратура, необходима тщательная подготовка к проведению испытаний: обязательное составление плана проведения исследований, разработка стратегии и тактики испытаний.

Испытания, связанные с обследованием реальных конструкций, зданий и сооружений, проводятся непосредственно на натурных объектах.

Испытания, связанные с опытными объектами, проводятся обычно на испытательных полигонах - территориях, предназначенных для проведения испытаний в условиях, близких к условиям эксплуатации, и обеспеченных необходимым комплексом средств испытаний и обработки результатов.

Для установки объекта испытаний в заданном положении, создания воздействия, съема информации и управления процессов испытаний используются испытательные стенды.

При испытании макетов и моделей, проводимых в стенах научноисследовательских лабораторий, используется в большей части стандартизованное оборудование.

Проведению испытаний предшествует составление технического задания, в котором формулируются цели исследования, создается рабочая программа, подготавливается техническая документация.

Методы приложения статических сосредоточенных и распределенных

нагрузок

Для создания нагрузок при испытаниях используют штучные грузы; сыпучие материалы; емкости, наполненные водой; пневматические подушки; гидравлические и винтовые домкраты. В качестве штучных грузов используются гири, металлические отливки и поковки, бетонные и железобетонные блоки, которые перед испытаниями взвешиваются и маркируются. Для передачи усилий используются также тали, полиспасты, лебедки при включении их в цепь динамометров. Основным требованием, предъявляемым к внешним воздействиям, является их стабильность во времени и возможность надежного контроля их значений.

В лабораторных условиях при испытании моделей и образцов материалов применяется стандартное прессовое оборудование и

14

испытательные машины, которые разделяются на два типа: машины с жестким нагружением, где задается режим деформирования, и машины с мягким загружением, где задается закон изменения силовой нагрузки. Последний тип машин является предпочтительным.

Подвешивание грузов является самым простым способом создания сосредоточенных нагрузок, причем его преимуществом по сравнению с другими способами является то, что при подвеске грузов действующее усилие не зависит от прогибов испытуемой конструкции. Однако этот способ является достаточно громоздким. Приведем несколько характерных примеров. На рис. 1 представлена схема приложения сосредоточенных нагрузок к нижнему поясу фермы 1 при помощи подвесок 2. На грузовые площадки 3 укладываются штучные грузы. Представленная схема приложения нагрузок хотя и часто применяется на практике, но не является удовлетворительной с точки зрения обеспечения мероприятий техники безопасности, так как экспериментаторы вынуждены непосредственно находиться под нагружаемой фермой 1. Учитывая отмеченное обстоятельство, нагрузку на грузовую платформу 1 целесообразно передавать через рычажное приспособление 2 (рис. 2). Упор 4 служит для ограничения передачи нагрузки при больших прогибах фермы. При этом способе передачи нагрузок требуется большее количество штучных грузов 3, чем для создания нагрузки в рассмотренном примере.

Рис. 1. Схема приложения нагрузки к нижнему поясу фермы

Рис. 2. Схема рычажной передачи Возможно также сооружение под испытуемой фермой временных под-

мостей, которые выполняют двойную функцию. Они предохраняют испытателей от возможных аварий и, кроме того, являются устройствами, позволяющими крепить к ним измерительные приборы. Аналогично прикладывается сосредоточенная нагрузка и к верхним узлам ферм. При

15

проектировании устройств для крепежа подвесок следует обратить внимание на недопустимость ослабления узлов испытуемой фермы и на необходимость принятия мероприятий, исключающих местное повреждение металлоконструкций.

При использовании натяжных приспособлений отпадают трудоемкие работы по взвешиванию и перемещению грузов; направление прикладываемых усилий может быть произвольным; требуемые устройства компактны, легко вписываются в технологическую схему цеха и их использование не вызывает затруднений в стесненных условиях; возможна автоматизация регулирования значений нагрузок, для этого в цепь натяжного устройства может быть включен динамометр с тензорезисторными преобразователями.

К недостатку такого способа приложения нагрузки относятся: необходимость в случае одновременного приложения ряда нагрузок производить постоянное регулирование усилий, чувствительность нагрузки к развитию пластических деформаций в конструкции при длительном приложении нагрузки, а также к изменению температуры, так как в совокупности с испытуемой конструкцией система передачи, с точки зрения строительной механики, представляет статически неопределимую систему с предварительным напряжением. Однако отмеченные недостатки могут быть устранены методами автоматизированного контроля нагрузок с использованием микропроцессорной техники.

Системы с натяжнымн устройствами по принципу работы являются механизмами с жестким загружением, тогда как системы с подвешенными грузами представляют механизм с мягким нагружением.

При испытании конструкций на полигонах, в лабораториях широко используются для создания сосредоточенных силовых воздействий домкраты. К преимуществам использования домкратов относится их малогабаритность, простота создания и регулирования нагрузки, возможность приложения нагрузки по любым направлениям. В практике испытаний применяют гидравлические домкраты с групповой насосной установкой с электрическим или ручным (при малых нагрузках) приводами. Использование групповой насосной установки обеспечивает мягкое нагружение конструкции.

Существуют различные типы домкратов, создающие нагрузки до 1000 кН и имеющие ход поршня от 100 до 315 мм. Усилие, создаваемое домкратом, определяется по показанию технического манометра класса не ниже 2,5, измеряющего давление с точностью до ±2,5%. Перед испытаниями все манометры поверяются по образцовому контрольному манометру класса 0,2. Каждый домкрат вместе с насосной станцией и гидросистемой подлежит обязательной поверке с помощью эталонных динамометров или на испытательных прессах.

При проведении испытаний конструкций создаются стационарные или временные стенды. В простейшем случае стенд представляет собой совокупность опор и опорных устройств, на которых располагается испытуемое из-

16

делие. Временные сборно-разборные стенды представляют собой, как правило, металлические фермы, причем конструкция и силовое оборудование устанавливаются так, что они образуют замкнутую систему, не передающую нагрузку на то основание, на которое опирается сборно-разборная ферма.

Стационарные стенды, как правило, представляют собой монолитные железобетонные или металлические конструкции, расположенные на мощном железобетонном монолитном фундаменте. Стенд оснащается обустройствами, позволяющими осуществлять крепеж измерительной аппаратуры. Стационарные стенды обычно предназначаются для испытаний изделий определенного типа.

Широкими возможностями обладают лаборатории с силовыми полами и мостовыми кранами высокой грузоподъемности. Силовой пол - это мощная железобетонная плита, в верхней части которой заподлицо с поверхностью установлены шины, надежно заанкеренные в теле бетона. Шины могут быть выполнены в виде металлической коробки с прорезью (рис. 3). В прорезь вставляются болты, к которым крепится испытуемый объект и силовое оборудование. Наличие силового пола позволяет гибко устанавливать испытываемые объекты, обустраивать их инвентарной сборно-разборной оснасткой, широко применять различные нагрузочные системы и измерительные комплексы. При одновременном подключении всего измерительного комплекса к ЭВМ достигается высокая степень автоматизации процессов управления экспериментом и обработки полученной информации.

Рис. 3. Схема силового пола

Примером приложения сосредоточенных нагрузок может служить простейший случай нагружения конструкции на временном стенде (рис.3).

17

Рис. 4. Схема приложения сосредоточенной нагрузки

К испытуемой балке прикладывается с помощью домкрата 3, тяг 2, поперечных траверс 1 сосредоточенная сила. Естественно, что экспериментально создать идеализированную сосредоточенную нагрузку невозможно, но если ее рассредоточить на площадке длиной, составляющей 1/20 от пролета, балки, то разность в величинах моментов составит менее 3%, а прогибов — 5%. Силовая траверса 4 передает усилие на анкеры 5.

Схема нагружения железобетонной балки представлена на рис. 5 Металлические фермы 2 располагаются по обеим сторонам испытываемой балки 1. С помощью продольных траверс 5 нагрузка передается от домкрата на две точки балки. Домкрат 4 опирается в верхний узел фермы через траверсу 3. На опоры металлической фермы передается лишь собственный вес балки и фермы.

Рис. 5. Схема нагружения железобетонной балки В случае стационарного стенда схема нагружения сосредоточенными

силами балки 5 представлена на рис. 6. Нагрузка от домкрата 2 передается через продольные траверсы 3. С помощью поперечной траверсы / и анкера 4 реакция передается на основание 6.

18

Рис. 6. Схема испытания на стационарном стенде При нагружении отдельных конструкций необходимо предусматривать

мероприятия, которые препятствуют потере устойчивости заданного положения объекта. Существует много способов приложения распределенной нагрузки. Наиболее универсальный прием связан с использованием штучных грузов. На рис. 7 представлены схемы создания нагрузки на балку 2 путем установки кирпичных или бетонных столбиков 1 (схема а) и металлических грузов (схема б). Ширина каждого столбика не должна превышать 1/6 пролета испытуемой конструкции, между столбиками должен быть зазор не менее 50 мм, что исключает возможность соприкосновения верхних кромок столбиков при изгибе конструкции.

РИС. 7.Схема приложения распределенной нагрузки

При испытании балок (рис. 8), имеющих малую ширину пояса 3, используется дополнительное устройство в виде вспомогательной балки 5, которая одновременно обеспечивает устойчивость положения испытуемого объекта. При использовании штучных грузов 4 можно создавать нагрузки, действующие по произвольному закону изменения по длине конструкции, расположенной на опорах 1. Однако такой способ загружения является достаточно громоздким.

19

РИС. 8.Схема приложения распределенной нагрузки

При загружении конструкций с горизонтальной поверхностью (рис. 9) можно использовать воду 2. Для этого устраивается легкое ограждение 1, на поверхность конструкции укладываются защитные полотнища из брезента 3, а затем помещается емкость из водонепроницаемого материала 4. Этот способ обладает существенными достоинствами: возможность точного определения значений нагрузок по высоте столба воды, плавность загрузки и разгрузки, соблюдение заданного скоростного режима загрузки и разгрузки. Загрузка осуществляется подачей воды из водопроводной сети, а разгрузка

— откачкой воды насосами или с помощью сифона. Недостаток данного способа заключается в том, что использовать его можно лишь при положительной температуре.

Рис. 9. Схема загружения конструкции водой

Равномерно распределенную нагрузку можно создать, используя давление воздуха. Для этого на поверхность конструкции укладываются воздухонепроницаемые мешки, помещенные в защитные брезентовые чехлы. Над мешками создается жесткий навес, а затем с помощью сжатого воздуха в мешках обеспечивается необходимое давление.

При испытании сосудов применение сжатого воздуха запрещено, так как в случае разрушения сосуда возможно разрушение окружающих конструкций и гибель людей. Допускается использовать сжатый воздух в том случае, когда испытания проводятся в замкнутых боксах.

Распределенная нагрузка может также имитироваться по схеме сосредоточенных нагрузок. При 10%-ной погрешности по моментам в середине пролета при равномерно распределенной нагрузке она может быть заменена тремя силами. Обеспечение 5%-ной погрешности требует приложения 4 сосредоточенных сил по длине пролета. Число необходимых сил

электромагнитные

электродинамические

магнитострикционные

пьезоэлектрические

20

существенно снижается, если считать их приложенными на некотором малом конечном участке.

Для имитации распределенной нагрузки (рис10) для балки (а) и плиты (б) системой сосредоточенных сил можно воспользоваться передачей усилий с помощью ряда рычагов.

Рис. 10. Схема загружения конструкции сосредоточенными силами

Лекция 4

4.1. Методы приложения динамических нагрузок

Существуют следующие методы приложения динамических нагрузок: механические, гидравлические, пневматические и ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ (электромагнитные, электродинамические, магнитострикционные, пьезоэлектрические).

механические

гидравлические

пневматические

электрические

Для создания механическими способами циклических нагрузок на конструкции, расположенные на вибростендах, вибростолах, виброплатформах, применяются центробежные и кривошипные механизмы. Скоростные и ударные нагрузки осуществляются гравитационными, маятникогравитационными и другими механизмами.

Гидравлические способы основаны на использовании механизмов преобразования получаемой извне энергии в энергию сжатой жидкости, преобразовании энергии сжатой жидкости в механическую энергию деформирования конструкций и преодолении сопротивления движению объекта. Наибольшей универсальностью при создании динамических нагрузок обладают электрогидравлические усилительные системы. Скоростное воздействие и удар осуществляют объемно-аккумуляторными, маховиково-насосными, циркуляционными устройствами. Пневматический