ИСПЫТАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ И СООРУЖЕНИЙ ИСКУССТВЕННО СОЗДАВАЕМОЙ ВИБРАЦИОННОЙ НАГРУЗКОЙ

В процессе вибрационных испытаний деформации и перемещения в различных точках конструкции изменяются во времени по гармоническому закону. Различают испытания в режиме собственных и вынужденных колебаний.

Испытания в режиме собственных колебаний в натурных условиях воспроизводится значительно проще. Однако использование результатов таких испытаний ограничивается возможностью создания и исследования одной, в лучшем случае, двух форм собственных колебаний, хотя для решения многих практических задач эта информация является вполне достаточной.

Испытания в режиме вынужденных колебаний сложнее в исполнении, но ценнее, информативнее по своим результатам. Вынужденные колебания создаются в околорезонансных режимах и обеспечивают исследование различных форм колебаний, в том числе пространственных. Характерной особенностью резонансных испытаний является возможность создания больших динамических деформаций и перемещений в элементах конструкции.

При натурных вибрационных испытаниях определяют следующие основные параметры: форму, частоту и декремент колебаний конструкции. При исследовании влияния вибраций на прочностные свойства материалов, элементов и соединений в качестве исходных параметров динамической нагрузки используют коэффициент асимметрии цикла, среднее и амплитудное значение цикла, выраженное в терминах номинальных напряжений или реальных с учётом их концентрации.

Поведение конструкции характеризуется большим числом форм колебаний, так как реальные системы обладают бесконечно большим числом степеней свободы. Однако практическое значение имеют первые две, три формы, отвечающие по своим частотам характеристикам действующих нагрузок. На рисунке 6 показаны виброграммы, полученные в ходе резонансных испытаний с помощью вибромашины, установленной в

четверти пролёта статически определимой балки на двух опорах. Различные формы колебаний наблюдаются при совпадении частоты колебаний возмущающей силы с частотой собственных колебаний балки по соответствующей форме. Для изгибаемой шарнирно опёртой балки отношение значений спектра частот соответствует показателю , где  - номер формы.

Частота колебаний связана с периодом колебаний зависимостью:

где  - частота колебаний в Гц;

Т - период колебаний в сек.

В ходе вибрационных испытаний решаются следующие задачи:

- определение динамического коэффициента для воздействий с известными динамическими характеристиками;

- определение состояния несущих конструкций эксплуатируемых зданий и сооружений;

- определение упругих динамических характеристик строительных материалов;

- неразрушающий контроль качества строительных изделий;

- определение влияния циклического загружения на снижение прочностных характеристик материалов и конструкций (предел выносливости, малоцикловая усталость).

Испытания по определению динамического коэффициента установившихся вынужденных колебаний производятся в случаях, когда на конструкцию предполагается установка агрегатов, создающих динамические воздействия. В паспорте агрегата указываются динамические характеристики: масса, частотные характеристики и др. Для расчёта динамического коэффициента требуется дополнительно определить значения собственных частот несущих элементов и соответствующих частотам декрементов колебаний. Расчёт конструкций на вибрационную нагрузку проводится с целью определения величины динамических перемещений и деформаций и последующей проверки соблюдения условий нормальной эксплуатации.

Динамический коэффициент показывает, во сколько раз динамические перемещения и напряжения в системе с одной степенью свободы отличаются от статических перемещений и напряжений, рассчитанных на действие амплитудного значения динамической силы. Коэффициент динамичности можно определить по следующей формуле:

где  - декремент собственных колебаний;

здесь  - круговая частота возмущающей силы;

 - круговая частота собственных колебаний.

Для определения коэффициента динамичности необходимо найти с помощью вибрационных испытаний частоту и декремент собственных колебаний. Следует отметить, что значение декремента колебаний зависит от частоты и амплитуды колебаний. Поэтому, динамические испытания, необходимо проводить в диапазоне резонансной частоты, когда частоты вынужденных и собственных колебаний максимально близки.

По результатам динамических испытаний проводится расчёт динамических напряжений и перемещений конструкций на действие вибрационной нагрузки от устанавливаемого оборудования. Если рассчитанные параметры превысят допускаемые, необходимо предусмотреть мероприятия по повышению динамических параметров конструкции.

Снизить уровень вибрации конструкции можно двумя способами:

-изменить параметры динамической нагрузки на конструкцию;

-изменить параметры самой конструкции.

Для реализации первого способа существуют следующие возможности:

-изменение частоты динамической нагрузки;

-изменение места установки агрегата на конструкции (при вертикальной динамической нагрузке рекомендуется передвинуть агрегат как можно ближе к опорам плит перекрытия, при горизонтальной – вдоль балок перекрытия);

-динамическая балансировка вращающихся частей механизма со смещённым центром массы относительно оси вращения (выполняется закреплением дополнительной массы на вращающейся части для полного или частичного погашения вибрации);

-активная виброизоляция агрегата (уменьшение динамической составляющей воздействия на перекрытие).

Чтобы реализовать второй способ необходимо изменить параметры конструкции. Изменения проводятся с учётом влияния этих параметров на частоту собственных колебаний и вывода системы из области резонанса при воздействии гармонической динамической нагрузки. Для реализации этого способа существуют следующие возможности:

-изменение конструктивной схемы конструкции: введение дополнительных связей; пересмотр конструктивного решения опорных узлов; уменьшение пролёта с помощью установки дополнительных опор и др.;

-изменение жёсткости конструкции за счёт изменения её поперечного сечения;

-устройство постамента под агрегат, который в зависимости от необходимого уменьшения или увеличения частоты может быть выполнен массивным без прочной связи с конструкцией, лёгким и жёстким, прочно прикреплённым к перекрытию;

-установка различных амортизационных устройств.

При разработке конструктивных решений по уменьшению вибрационных воздействий необходимо учитывать, что уменьшение частоты собственных колебаний конструкции всегда сопровождается увеличением прогибов и напряжений в ней, вызванных статической нагрузкой. В связи с этим требуется проведение дополнительного статического расчёта.

Резонансные (вибрационные) испытания широко используются для оценки состояния отдельных конструкций (элементов конструкции) эксплуатируемых зданий и сооружений. Этот метод контроля позволяет устанавливать частоты для первых форм колебаний конструкции и определять соответствующие декременты колебаний. Эти параметры используются в качестве показателей степени повреждения конструкций. Эта задача особенно актуальна для зданий и сооружений, подверженных сейсмическим нагрузкам.

Всемирные исследования в этой области показали, что динамические параметры пространственной конструкции здания или сооружения очень чувствительны к повреждениям, вызванным сейсмической нагрузкой. В испытаниях, проведённых на реальных объектах и крупномасштабных моделях, были установлены количественные соотношения между уровнем сейсмической нагрузки и динамическими параметрами конструкции, получившей повреждения, причём сейсмическая нагрузка моделировалась вибрационным воздействием.

В процессе отработки методики было доказано, что характер повреждений при сейсмическом и вибрационном воздействии идентичен. Кроме того, было установлено, что перемещения и внутренние усилия в конструкции при возмущениях, передающихся через грунт и в случае возбуждения колебаний в уровне перекрытия, имеют практически идентичный конечный результат. С методической точки зрения эти результаты чрезвычайно важны, так как динамическое нагружение в уровне перекрытия эффективнее и значительно проще осуществимое.

Динамические испытания строительных конструкций в режиме собственных или вынужденных колебаний являются одним из составных элементов комплексного неразрушающего контроля качества готовой продукции. Наиболее широкое применение получили вибрационные испытания на предприятиях изготавливающих сборный железобетон. Испытания проводятся для контроля качества изгибаемых изделий, в том числе и предварительно напряжённых.

ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЯ

Испытание конструкции динамической нагрузкой является более сложным, чем испытание статической нагрузкой. Эта сложность заключается в том, что испытательная нагрузка и испытательные приборы, применяемые для записи деформаций, представляют собой в большей своей части механизмы, приводимые в движение во время испытания. Причем требуется, чтобы они работали синхронно и четко, как один общий агрегат. Необходимо составить подробный план проведения испытания, в котором надо предусмотреть все детали, даже имеющие второстепенное значение.

Обработку результатов испытания желательно разделить на две части:

1) полевую обработку результатов для оценки правильности протекания эксперимента и для своевременного устранения возможных неполадок;

2) камеральную обработку результатов испытания с вычислением всех намеченных к определению величин: амплитуд и частот колебаний, ускорений, напряжений, динамических коэффициентов и т. п.

Рассмотрим некоторые случаи проведения испытаний сооружений динамической нагрузкой.