ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИСПЫТАНИЙ КОНСТРУКЦИЙ ДИНАМИЧЕСКИМИ НАГРУЗКАМИ

Российская Федерация

Дальневосточный государственный

университет путей сообщения

 

 

Кафедра

“Строительные конструкции”

Г.С. Якутин

 

ИСПЫТАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ ДИНАМИЧЕСКИМИ НАГРУЗКАМИ

(методическое пособие)

 

 

Хабаровск

2005

 

Российская Федерация

Дальневосточный государственный университет путей сообщения

 

Кафедра "Строительные конструкции"

Г.С. Якутин

 

 

ИСПЫТАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ ДИНАМИЧЕСКИМИ НАГРУЗКАМИ

Методическое пособие

 

Хабаровск

2005

Р Е Ц Е Н З И Я

 

на методическое пособие

"ИСПЫТАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ ДИНАМИЧЕСКИМИ НАГРУЗКАМИ".

Автор Якутин Г.С.

 

Методическое пособие составлено в соответствии с программой курса "Обследование, испытание и реконструкция зданий и сооружений" отражают раздел "Испытание конструкций динамическими нагрузками, проведение испытаний в лабораторных условиях, обработка результатов, определение погрешности" и предназначено для студентов специальности 2903 "Промышленное и гражданское строительство" всех форм обучения.

Пособие разработано для изучения метода определения характеристик строительных конструкций динамическими нагрузками, содержит краткие теоретические предпосылки из теории и практики, числовые примеры. Материал освещает лабораторную работу, в которой изложена методика определения искомых параметров натурной конструкции посредством испытания вибрационной нагрузкой. Для большей наглядности в пособии приведен пример испытания стальной балки с целью определения частоты собственных колебаний, динамического напряжения и погрешности в полученных экспериментальных результатах. Дан наглядный пример заполнения журналов испытаний. Даны контрольные вопросы для самостоятельной подготовки студентов.

Уровень изложения материала отвечает современным требованиям.

Методическое пособие рекомендуются к изданию.

Профессор кафедры

"Здания и сооружения" ДВГУПС ________________ П.Я. Гртгорьев

УДК

ББК

Я

Рецензент:

Профессор кафедры "Здания и сооружения" ДВГУПС, Грыгорьев В.А.

 

Якутин Г.С.

Я..... ИСПЫТАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ ДИНАМИЧЕСКИМИ НАГРУЗКАМИ. Методическое пособие по выполнению лабораторной работы - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС. 2005 г. ил.

 

Изложены вопросы теории и практики испытания конструкций динамическими нагрузками. Наглядно показан конкретный пример испытания конструкции на её физической модели динамической нагрузкой. Приведены некоторые сведения, необходимые для статистической обработки результатов исследований. Дан пример заполнения журнала испытания.

Методическое пособие предназначено для студентов специальности 2903 "Промышленное и гражданское строительство", 2915 "Экспертиза и оценка недвижимости" всех форм обучения.

 

Ó Якутин Г.С.

Ó Изд-во Дальневосточного государственного университета путей сообщения (ДВГУПС), 2005

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................6

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИСПЫТАНИЙ КОНСТРУКЦИЙ ДИНАМИЧЕСКИМИ НАГРУЗКАМИ...........................................................7

2. ИСПЫТАНИЯ МОДЕЛЕЙ...........................................................................12

2.1.  Задачи, решаемые испытанием моделей................................................15

3. ДИНАМИЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ....................................................................15

3.1.  ИСПЫТАНИЯ НАТУРНЫХ СООРУЖЕНИЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАГРУЗКОЙ.....................................................16

3.2. ИСПЫТАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ И СООРУЖЕНИЙ ИСКУССТВЕННО СОЗДАВАЕМОЙ ВИБРАЦИОННОЙ НАГРУЗКОЙ......17

4. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЯ....................................................................22

4.1.  Экспериментальное определение частоты свободных колебаний конструкции...............................................................................................22

4.2.  Определение динамических коэффициентов.........................................23

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА. "ДИНАМИЧЕСКОЕ ИСПЫТАНИЕ СТАЛЬНОЙ БАЛКИ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОГРЕШНОСТИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ".............................................................................................21

4.1.   Виброизмерительные приборы..........................................................21

4.1.1. Сведения о теории и классификация приборов........................21

Техника безопасности при выполнении лабораторной работы

2  Цели и задачи работы

Оборудование и приборы.

Порядок выполнения работы

Содержание отчёта

Контрольные вопросы

ПРИЛОЖЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

 

Развитие народного хозяйства России, интенсификация, механизация и автоматизация, производства вызывают необходимость строительства новых промышленных комплексов и модернизацию существующих заводов. Расширение производства, установка нового более мощного, высокопроизводительного оборудования ведёт к увеличению нагрузок, передающихся на несущие строительные конструкции зданий и сооружений, а следовательно, и к всё большему влиянию на них динамических воздействий, в том числе и групповых, от большого количества однотипных машин и механизмов.

Динамические напряжения и деформации в рельсах, динамическая устойчивость земляного полотна и влияние динамических воздействий на расположенные рядом с путями здания и сооружения являются важными проблемами для железнодорожного транспорта. Эти проблемы многократно возрастают по мере увеличения скорости движения, нагрузки на ось и грузового потока на стальных и автомобильных магистралях.

Возрастающее стремление к экономичному использованию застраиваемых территорий ведёт к дальнейшему увеличению этажности зданий и высоты сооружений, что приводит к значительному увеличению динамической составляющей ветрового напора (пульсация ветра).

Часть территории Российской федерации подвержена сейсмическим воздействиям: Кавказ; Камчатка; Сахалин; значительная часть Хабаровского края; Еврейская автономная область и другие районы. Всемирный опыт, приобретённый в результате произошедших катастроф от землетрясений, показал, что экономически целесообразно строить здания и сооружения так, чтобы они успешно противостояли сейсмическим воздействиям с достаточно малой вероятностью разрушения. С этой целью при проектировании необходимо уделить особое внимание к изысканиям, расчёту и конструированию, а при строительстве – к качеству производства работ и безукоризненному исполнению всех проектных рекомендаций. Здания и сооружения с новыми конструктивными схемами обязательно должны быть подвержены экспериментальной проверке принятых допущений, строительно-монтажных работ и надёжной работы здания или сооружения в целом.

Обширная область, связанная с особенностью расчёта строительных конструкций на динамические воздействия, ещё не изучена. Для решения многих вопросов требуются дальнейшие теоретические и экспериментальные проверки и изучение. Метод испытания строительных конструкций и сооружений динамическими нагрузками позволяет проверить расчётные характеристики серийно выпускаемых конструкций, установить расчётную схему построенного здания или сооружения и выявить взаимосвязь между работой отдельных элементов здания (сооружения) и деформативными характеристиками основания. Этим методом несложно установить прочностные и деформативные характеристики земляного полотна на транспортных магистралях.

Роль экспериментальных методов динамическими нагрузками высока, что требует от будущего инженера хорошего знания методов проведения динамических испытаний, умения пользоваться средствами измерения, навыков статистической обработки полученных результатов.

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИСПЫТАНИЙ КОНСТРУКЦИЙ ДИНАМИЧЕСКИМИ НАГРУЗКАМИ

В соответствии с объектом, задачами и методикой эксперимента, можно выделить три основные группы испытаний динамической нагрузкой:

1) испытание конструкций существующих зданий и сооружений;

2) испытание строительных деталей серийного изготовления;

3) научно-исследовательские испытания.

Указанные испытания выполняются с целью:

- определения влияния динамических нагрузок на прочность, выносливость, жёсткость и трещиностойкость строительных конструкций;

- оценки возможности установки на конструкциях механизмов, создающих динамические воздействия, чтобы не допустить резонанс и вредное влияние вибраций на ход технологических процессов и на условия труда, когда колебания оказывают отрицательное физиологическое воздействие на организм человека;

- разработки мероприятий по уменьшению колебаний;

- проверки расчётных характеристик и качества, серийно изготавливаемых и эксплуатируемых конструкций по частоте и интенсивности затухания собственных колебаний;

- проверка научных гипотез;

- проверка несущей способности новых изобретённых конструкций.

Перечисленные цели и задачи, естественно, не исчерпывают всех вопросов, которые ставятся практикой эксплуатации строительных конструкций в нормальных и, тем более, в особых условиях работы.

Рассмотрим подробнее отдельные задачи динамических испытаний и цели их исследования в зависимости от объектов.

1) Сооружения и отдельные конструкции, подлежащие сдаче в эксплуатацию.

Объекты, рассчитанные на воздействие динамических нагрузок (мосты, конструкции ряда промышленных сооружений и т.д.), испытывают с целью проверки их работы в условиях, максимально приближенных к эксплуатационным условиям. При этом определяют динамические параметры, так, например, по частоте собственных колебаний отдельных элементов можно судить о их жёсткости, а следовательно, и о соответствующем модуле упругости материала; по форме колебаний можно выявить наличие расхождений между принятой расчётной ситуацией и действительной работой исследуемого объекта и т.д. Используют сопоставления прочностных характеристик однотипных элементов в сооружениях путём сравнения частот и интенсивности затухания их собственных колебаний. При незначительной затрате труда и времени могут быть, таким образом, выявлены ослабленные участки в исследуемых объектах.

2) Сооружения и конструкции, находящиеся в эксплуатации.

Результаты повторных динамических испытаний, при сопоставлении их с первичными испытаниями, позволяют судить об изменении состояния исследуемого объекта во времени. С этой целью, динамические испытания могут производиться в следующих случаях:

-в плановом порядке, если это предусмотрено правилами эксплуатации;

-после ремонта и усиления конструкций;

-при наличии сомнения в сохранении необходимой несущей способности и жёсткости, например, после пожара, при существенном поражении коррозией и т.п. От статических испытаний, которые могут быть представлены с этой же целью, динамические испытания выгодно отличаются значительно меньшей трудоёмкостью и возможностью проведения их в более сжатые сроки.

При динамических испытаниях эксплуатируемых конструкций могут ставиться и другие задачи. Например, при необходимости размещения нового оборудования с вибрационными воздействиями. В ряде случаев оказывается целесообразным предварительная экспериментальная проверка частот собственных колебаний конструкций, на которые устанавливается оборудование, во избежание нежелательного совпадения этих частот с частотами силовых воздействий, от подлежащих установке агрегатов. Если чрезмерные колебания наблюдаются при работе уже установленного оборудования, аналогичные экспериментальные исследования проводятся с целью обоснования и разработки мер по устранению вибраций.

3) Строительные конструкции серийного производства.

Малая трудоёмкость и быстрота проведения динамических испытаний позволяют применять их для контроля качества выпускаемых изделий. Основными параметрами, чувствительными к наличию дефектов и пониженным характеристикам материала в исследуемых изделиях, являются частота и интенсивность затухания их собственных колебаний. Проведённая динамическая проверка не снижает несущей способности испытанных конструкций и не препятствует их использованию по основному назначению.

4) Научно-исследовательские.

Проводятся в основном по следующим направлениям:

- при применении новых конструктивных решений;

- при апробации новых методов расчёта;

- при использовании новых строительных материалов с характеристиками, требующими проверки под действием нагрузки;

- при особых режимах эксплуатации.

Такие испытания могут производиться как на натурных объектах, так и на моделях с использованием теории моделирования. Рассмотрим одну задачу – влияние многократно повторяющихся нагрузок на прочность материала. При действии таких нагрузок с числом повторений за время эксплуатации конструкции в несколько миллионов раз предел прочности материала в зависимости от характеристики цикла  уменьшается. На рисунке 1 изображена кривая зависимости  для бетона от характеристики цикла .

Экспериментально установлено, что предел выносливости бетона может снизиться до  в зависимости от вида напряжённого состояния. Величина  необходима для расчёта конструкций при действии многократно повторяющейся нагрузки.

Экспериментально определяют коэффициент динамичности, который снижает прочность материала в зависимости от цикла . Характеристики циклов даны на рисунках 2, 3.

a) Несимметричный цикл.

 

На рисунке 2 введены следующие обозначения:

 - напряжение цикла

(1)

 - амплитуда цикла

(2)

 - коэффициент асимметрии

b) Симметричный цикл

 

 

Если  и обратны по знаку, т.е. , то цикл изменения напряжений называется симметричным.

При симметричном цикле среднее напряжение равно нулю.

c) Пульсирующий цикл

Если наименьшее напряжение равно нулю, т.е. , то цикл называется пульсирующим.

При расчёте сооружений, на которые действуют переменные напряжения, основной характеристикой прочности материала является предел выносливости. Пределом выносливости (усталости) называется наибольшее напряжение, которое материал в состоянии выдержать при данной асимметрии цикла  неограниченно большое число циклов. Если говорят о пределе усталости, не указывая при этом коэффициент , то в этом случае подразумевается симметричный цикл напряжений.

Целью испытаний материалов на усталость является определение пределов усталости (выносливости) и выявление влияния на их величину различных факторов. Рассмотрим определение предела выносливости при несимметричном цикле. Для этого построим диаграмму из наиболее часто применяемых способов (рисунок 5). По оси абсцисс отложены  - средние напряжения циклов, а по оси ординат  - предельные амплитуды циклов. Кривая отражает зависимость предельных амплитуд напряжений цикла от средних. Любой цикл может быть охарактеризован координатами точки  кривой.

По предельной кривой прочности определяют величину предела выносливости при данном среднем напряжении. Циклы напряжений ограниченные осью абсцисс, осью ординат и этой кривой представляют безопасные циклы напряжений. Имея такую диаграмму для данного материала, несложно определить амплитуду напряжений, которую может выдержать материал, не разрушаясь при даном среднем напряжении.

ИСПЫТАНИЯ МОДЕЛЕЙ

 

Испытания натурных объектов динамической нагрузкой трудоемки и дорогостоящи, однако не представляют возможности решить многие теоретические задачи, связанные со строительством зданий в сейсмических районах и в особых условиях. Как показывает практика, испытания на моделях могут заменить натурные и во многих случаях являются более эффективными, чем натурные. Принципиально на моделях можно решать любые задачи, возникающие на практике, при соответствующем техническом и экономическом обеспечении.

Форма колебаний несущих зависит конструкций от разнообразных факторов: жесткости элементов и узлов их сопряжений на изгиб и сдвиг, влияния связей и диафрагм, нагрузки и последовательности загружения и

разгрузки, деформаций основания. Вследствие этого многие динамические характеристики колебаний испытываемых конструкций оказываются нелинейными, что затрудняет анализ результатов испытаний. Такие задачи проще исследовать при испытании моделей.

Испытания моделей обычно совмещают со статическими испытаниями и проводят вплоть до разрушения модели.

Модель разрушения рассчитывают на основании теории подобия с учётом сил тяжести и инерции. Условия динамического подобия при упругой работе модели определяются по формулам:

(4)

для сил тяжести

(5)

для сил инерции

где  - ускорение свободного падения;

 - плотность мате­риала;

(6)

 - масштаб напряжений:

 -линейная деформация;

 - масштаб ускорений:

(7)

 - вре­мя.

Переход от натурной конструкции к модели, осущест­вляется введением системы масштабов преобразования:

 и т. д.

Моделирование сил инерции осуществляется путем укладки или подвешивания в определенных точках модели дополнительных грузов, имитирующих действие объемных сил. Последние могут быть получены и при центробежном моделировании. Для этого маломасштабную модель помещают в центрифугу, где в зависимости от скорости её вращения создается соответствующая сила инерции: Учитывая, что поле центробежных сил не тождественно полю сил тяжести, размеры модели и центрифуги задают так, чтобы уменьшить погрешности неоднородного силового поля.

И.С. Инютиным (БелИИЖТ) разработан метод объемного моделирования массовых сил с «замораживанием» деформаций после нагружения. При этом в качестве силового поля для нагружения объектов или их моделей, изготовленных из магнитодиэлектриков, используются пондеромоторные (механические) силы постоянных электромагнитных полей, а в качестве устройств для измерения деформаций – тензорезисторы с малыми базами, которые в зависимости от целей исследований заделывают внутрь тела объекта или приклеивают на его поверхность.

Теория динамического расчета строительных конструкций, работающих в податливой среде, разработана В.Ш. Барбакадзе. Методика мелкомасштабного моделирования динамических явлений разработана И.С. Шейниным.

Испытания крупномасштабных моделей в  натуральной величины проводят с использованием вибрационных машин, с помощью которых испытывают натурные фрагменты узлов и соединений отдельных элементов, а затем и сооружение в целом. Принцип поэлементного моделирования даёт возможность изучить работу отдельных наиболее ответственных узлов и соединений новой конструкции, определить их деформативность и несущую способность, чтобы использовать полученные результаты при испытании крупномасштабной модели или натурной конструкции.

Для динамических испытаний разработаны различные по мощности и характеристикам вибрационные машины, которые позволяют развивать инерционные горизонтальные силы, как в моделях, так и в натурных объектах – построенных зданиях, соответствующие сейсмическим воздействиям до 9 баллов. Для уменьшения влияния дополнительных форм колебаний вибромашину закрепляют вблизи центра тяжести модели. Размещение остальных вибраторов зависит от целей и задач испытания, характера взаимодействия модели с основанием, податливости стыков и связей и т. д.

Динамические испытания часто совмещают со статическими. Их сочетание позволяет:

· более полно исследовать напряжённо-деформированное состояние;

· построить эпюры изгибающих моментов, нормальных и поперечных сил при статических загружениях;

· установить характер изменения частот и амплитуд колебаний при динамических загружениях;

· уточнить влияние инерционных сил на несущую способность модели.