Испытание зданий и сооружений



Раздел 2. Испытание зданий и сооружений

2.1. Исторический обзор

Испытание конструкцийздания или сооружения – выявление их поведения при приложении к ним внешних воздействий.  В настоящем лекционном курсе рассматривается только один вид внешних воздействий - нагрузки.

Как специально поставленный опыт, проводимый в заданных условиях с возможностью его повторения и проверки, строительный эксперимент появился в первой половинеXVII века.

К концуXVII - началуXVIII вековэкспериментально были установлены основные положения строительной механики. При этом главное внимание уделялось вопросам прочности конструкций (при доведении их до разрушения), поведение же конструкцийв процессе нагружения  (от начала до разрушения) оставалось без внимания.

Изучение в основном проводилось на моделях реальных конструкций.

Несколько примеров.

В 1732 г. фр. инж. Данизи испытал модель арки и установил, что при разрушении арка обязательно делится на четыре части, а не на три, как считалось ранее.

В 1767 г. фр. учёный Дюгамель впервые экспериментально показал на деревянных балках, что при изгибе верхние волокна поперечного сечения балок подвергаются действию сжимающих напряжений. В верхней зоне устраивались пазы, в них опускались вкладыши из твердого материала при изгибе эти вкладыши защемлялись.

В 1776 г. Кулибиным была изготовлена модель моста пролётом 298 м  в масштабе 110. На испытании присутствовал весь цвет российской науки, включая президента Академии наук Эйлера. Испытания деревянного арочного моста подтвердили все основные предпосылки проекта. Впоследствии эта модель использовалась в качестве моста через канал сада Таврического дворца. Здесь впервые изучалось поведение конструкции в рабочем состоянии (а не фиксировалась лишь разрушающая нагрузка).

В началеXIX века начинаются испытания натурных конструкций.

В 1837 г. при восстановлении Зимнего дворца после пожара были проведены массовые испытания металлических ферм и балок, идущих на восстановление перекрытия.

В 1847-1857 гг. через р. Вислу в г. Диршау был построен железнодорожный мост, который перед пуском в эксплуатацию был испытан. С этого времени все транспортные сооружения (мосты, эстакады, путепроводы, виадуки и т.д.) перед пуском в эксплуатацию обязательно испытываются (в отличие от объектов жилищного, гражданского и промышленного назначения, для которых проводятся выборочные испытания).

Первая лаборатория по испытанию строительных материалов и конструкций была создана в 1847 г. проф. Годкинсоном в Лондонском университете. В России подобная лаборатория была организована в 1853 г. проф. Собко в Петербургском институте путей сообщения.

Именно в эти годы появились первые железобетонные конструкции (вспомните о Ламбо (1850), Кунье и Уилкинсоне (1854), Гиате (1855), Манье (1867)). В 1886 г. немецкой фирмой «Вайс» были проведены первые испытания железобетонных конструкций. В этом же году были испытаны железобетонные конструкции Московской бойни. В1891 г. проф. Белелюбский испытал в большом объёме железобетонные плиты, арки, трубы, резервуары.

После революции 1917 г. для решения задач восстановления народного хозяйства и выполнения всё возрастающих планов в России началось особо широкое применение железобетона. Были созданы крупные проектные  и научно-исследовательские институты ЦНИПС (впоследствии НИИЖБ), ЦНИИСК, ЦНИИС МПС и др.

В связи с большими объёмами строительства и задачами экономии металла железобетон получил широкое применение взамен стальных конструкций и занял доминирующее положение в строительстве (это же наблюдается и сегодня). Можно привести очень много примеров использования железобетона в крупнейших стройках страны (что Вы с успехом можете сделать и сами).

Освоение новых конструктивных решений сопровождалось интенсивной разработкой теории расчёта конструкций. На смену методу расчёта по допускаемым напряжениям (он сформировался ещё в концеXIX века благодаря работам Консиндера, Генебика, Кёнена, Мёрша и др.) в 1931 г. Лолейтом были выдвинуты основные положения новой теории расчёта по разрушающим усилиям. Для её проверки потребовались большие эксперименты, которые и были проведены в  ЦНИПСе под руководством А.А. Гвоздева.

В 30-х годах практическое значение приобрела идея создания предварительно напряжённого железобетона, высказанная ещё в концеXIX века. В СССР в 1930 г. В.В. Михайлов начал проводить широкие экспериментальные исследования таких конструкций.

В 1955 г. единый метод расчёта конструкций по предельным состояниям был распространён на железобетон, хотя сформировался он сначала только для стальных конструкций. Его основоположником и создателем первой крупной экспериментальной школы в СССР был знакомый Вам из курса металлических конструкций проф. Н.С. Стрелецкий.

Сейчас некогда крупнейшие в мире российские НИИ по исследованию строительных конструкций переживают далеко не лучшие времена, многие ведущие ученые иммигрировали.

Большой вклад в формирование науки об обследовании и испытании конструкций   внесли Н.С. Стрелецкий, Е.О. Патон, Ю.А. Нилиндер, Н.Н. Аистов, А.А. Гвоздев, С.А. Дмитриев, К.И. Безухов, К.С. Завриев, Б.В. Якубовский, Н.Н. Максимов, И.А. Корчинский, В.И. Красиков, Н.Н. Давиденко, А.М. Емельянов, С.А. Душечкин, В.И. Крыжановский, И.С. Вайнток, Р.И. Аронов и многие другие.

2.2. Классификация испытаний.

     Перечень работ, выполняемых при испытаниях

Испытания могут проводиться какэтап обследования– это испытания пробной нагрузкой(третий этап обследования - см. с. 6, 32).

Испытание - весьма трудоемкое и дорогостоящее мероприятие, поэтому к нему прибегают лишь при необходимости, а именно: когда есть сомнения в достоверности полученной на первых двух этапах обследования информации (например, из-за невозможности определения армирования монолитного перекрытия) или когда обследуемый объект является особо ответственным.

В результате испытания конструкций получаются более полные данные о действительной их работе, контролируются результаты поверочных расчётов, заключение о техническом состоянии объекта оказывается более обоснованным.

На предприятиях строительной индустрии производятиспытания новых конструкций. Количество испытываемых конструкций из каждой партии изделий и что понимают под партией - см. с. 46).

При проведении научных исследований, направленных на совершенствование методов расчета строительных конструкций, их испытания являютсяглавным критерием правильности расчетной модели. Испытаниями проверяются и уточняются исходные предпосылки расчета, предлагаемые в результате теоретических исследований формулы, выявляются значения поправочных коэффициентов, испытания помогают сформулировать требования к конструированию конструкций.

Если испытывается конструкция, созданная специально для того, чтобы быть разрушенной, то из такого испытания следует получить максимальную информацию, включая и сопутствующую той основной, с целью получения которой и проводился эксперимент. Материальные затраты на испытание должны быть максимально компенсированы.

Классификация испытаний:

по характеру внешних воздействий на конструкцию - испытания статической и динамической нагрузками;

по схеме деформирования при нагружении - линейные, плоские, пространственные;

по задачам эксперимента - определение несущей способности (при испытании до разрушения), трещиностойкости, деформативности; установление необходимости усиления; установление действительной расчетной модели;

Работы, выполняемые при испытании конструкции:

составление технического задания (ТЗ) на испытание;

подготовка научно-технической документации по испытанию;

подготовка испытываемой конструкции, оборудования и приборов;

проведение испытания;

обработка результатов испытания.

2.3. Техническое задание и научно-техническая документация по испытанию

Техническое задание на испытание, строго говоря, должно исходить от заказчика, в нём излагаются цели и задачи испытания, но когда заказчик - не специалист в области строительства, ТЗ готовится им совместно с испытателями. ТЗ подписывают ответственные представители заказчика и исполнителя и утверждают руководители обеих сторон.

Научно-техническая документация по испытанию включает в себя:

  1. рабочую программу испытания;
  2. проект испытания;
  3. расчет испытываемой конструкции.

Врабочей программе испытания описываются:

  1. цели и задачи испытания, объект испытания;

объектом испытания может быть один или несколько элементов конструкции, часть конструкции или конструкция целиком. Если испытание является третьим этапом обследования, то при прочих равных условиях для испытания выбирают конструкцию, наиболее сильно отличающуюся от проекта, имеющую наиболее существенные дефекты и повреждения, на которую предполагается наибольшая эксплуатационная нагрузка;

  1. критерии, характеризующие критическое состояние конструкции;

например, железобетонная конструкция считается разрушенной, если наступил хотя бы один из следующих случаев: деформации конструкции на последнем этапе нагружения превысили сумму деформаций за предшествующие пять этапов; прогиб превысил 1/50 пролета; ширина раскрытия трещин превысила 1,5 мм; произошёл обрыв одного из стержней растянутой арматуры; отслоился бетон сжатой зоны; нарушилась анкеровка напрягаемой арматуры; произошла местная потеря устойчивости элемента;

  1. рабочая схема испытания;

она не обязательно должна в точности соответствовать расчетной модели. Достаточно, если при испытании в конструкции будут возникать такие же внутренние усилия и такие же перемещения, какие имеют место при проектной нагрузке.

Например, в расчетной модели мы оперируем равномерно распределенной нагрузкой на конструкцию. Но такая нагрузка - абстракция: маловероятно, чтобы, например, все плиты одного перекрытия были одновременно нагружены одинаковой действительной нагрузкой и чтобы эта нагрузка была абсолютно одинаковой по интенсивности (даже людская толпа создаст нагрузку на 1 м2 плиты, отличную от нагрузки на соседний кв. метр, хотя бы из-за разного веса входящих в толпу индивидуумов. Таким образом, абстрактная равномерно распределенная нагрузка отличается от действительной, случайной по схеме расположения и величине, но эквивалентна ей по изгибающим моментам, продольным и поперечным силам, прогибам.

Примеры эквивалентных схем нагружения  см. на с.46-48.

Требования к испытательным статическим нагрузкам см. на с. 49 .

При испытании конструкции в лабораторных условиях обязательно должна быть обеспечена её устойчивость с помощью дополнительных креплений. Испытательные стенды и имитацию опорных узлов (схемы опирания) см. на с.52-53;

  1. величина испытательной нагрузки, режим нагружения;
  2. схемы расположения приборов, их тип, распределение обязанностей между испытателями при обслуживании приборов;
  3. мероприятия по технике безопасности;
  4. методика обработки результатов испытания.

Проект испытания содержит чертежи испытываемой конструкции и всех приспособлений для закрепления и нагружения её, страховочных устройств, подмостей.

Расчетиспытываемой конструкции производится по результатам, полученным на первых двух этапах обследования. Определяются ожидаемые деформации и напряжения, перемещения в местах установки приборов. Это позволяет после испытания сопоставить теоретические и экспериментальные данные.

Величина испытательной нагрузкиустанавливается так, как это описано на с. 49.

Режим нагружения.Нагружение конструкции осуществляется по ступенчатому режиму, т.е. полную испытательную нагрузку дробят на несколько ступеней. При назначении ступеней исходят из того, что, чем меньше каждая ступень, тем точнее испытание, но чрезмерное дробление нагрузки удлиняет сроки испытания. Обычно величину ступени принимают равной 0,1 от полной испытательной нагрузки.

Начальную ступень принимают всегда равной 0,05 от полной нагрузки, поскольку в начале приложения усилий часть их идёт на обмятие прокладок в опорах и под нагрузочными приспособлениями, обтяжку тяг и т.д. Для уменьшения этих потерь прибегают к повторныи приложениям и снятиям начальной ступени. В это же время происходит «обкатка» приборов, проверка возвращения их «на нуль».

Для контрольных испытаний на трещиностойкость после приложения нагрузки, равной 90% контрольной, каждая последующая ступень вплоть до момента появления трещин должна составлять не более 0,05 от контрольной. Половинят ступень перед моментом появления трещин. За опытное значение момента трещинообразования принимают момент, равный М = Мi+Mi+1/2 (за исключением тех случаев, когда трещина обнаруживается визуально непосредственно при выдержке под нагрузкойMi+1).

Половинят ступень, а часто оставляют и четверть её в заключительной стадии испытания на прочность (чтобы как можно точнее зафиксировать разрушающую нагрузку).

После каждой ступени нагружения конструкцию выдерживают под нагрузкой не менее 10 мин для стабилизации деформаций. В это же время производят тщательный осмотр поверхности конструкции, фиксируют появление трещин, измеряют их ширину и снимают отсчеты по приборам (дважды - сразу после приложения нагрузки и в конце выдержки). Запись показаний приборов должна вестись одновременно (в идеале - мгновенно), поэтому каждому испытателю поручается наблюдение за возможно меньшим количеством приборов.

Все выявленные перед испытанием и в процессе нагружения трещины, сколы и другие повреждения отмечаются тушью или карандашом тонкой линией рядом с повреждением. Концы трещин отмечают поперечными штрихами, рядом с которыми пишут номер ступени нагружения, соответствующей отмечаемой длине трещины. Совокупность таких отметок (сводная карта трещинообразования) даёт наглядную картину постепенного развития повреждений с увеличением нагрузки. Точное место окончания трещины фиксируется микроскопом, возможно использование ацетона, который, попав в трещину, испаряется несколько позднее, чем на остальной поверхности, и оттеняет трещину. В процессе нагружения и после окончания испытания (заменив номера ступеней рядом со штрихами долями  полной испытательной нагрузки в %) используют фотосъёмку.

Ещё несколько слов нужно сказать о длительности выдержки конструкции на каждой ступени. Различают два способа проведения испытания: нормальный и ускоренный. Те 10 мин выдержки, о которых шла речь выше, являются временем выдержки при ускоренном способе. Этот способ предусматривает ещё 30-минутную выдержку после приложения контрольной нагрузки при проверке на жесткость и трещиностойкость.

Если количество испытываемых конструкций менее трёх, или конструкция имеет дефекты и повреждения и необходимо выяснить их влияние на несущую способность, или конструкция усилена, или качество конструкции ставит под сомнение его проектную несущую способность, то испытывать конструкцию следует нормальным способом, при котором выдержка под каждой ступенью нагрузки принимается для металлоконструкций - 15 мин, для каменных, бетонных и железобетонных - 12 ч, для деревянных - 24 ч. Если по истечении этого времени приращение деформаций не прекращается, то длительность действия нагрузки удваивается.

После нагружения конструкции до контрольного уровня (лишь для опытной конструкции мы заранее можем планировать разрушение; все же остальные конструкции должны быть нагружены до контрольного уровня, и, если они разрушились ранее этой  нагрузки, то, естественно, не выдержали испытания) её разгружают. Разгрузку ведут такими же ступенями, которые использовались при нагружении (для облегчения сравнения «прямых» и «обратных» ходов показаний приборов). После разгрузки снимают отсчеты и ведут наблюдение за конструкцией в течение 15 мин для металлоконструкций, полуторократного времени, соответствующего одной ступени нагружения (1,5х12 = 18 ч при нормальном способе) для железобетонных и двукратного (2х24 = 48 ч) для деревянных  конструкций. По истечении этого времени берут отсчеты, по которым определяют остаточные деформации.

При испытании опытных конструкций иногда ставится задача: исследовать их работу в условиях немногократных повторных нагружений, т.е. циклы «нагрузка-разгрузка» повторяют несколько раз.

Принципы расстановки приборов заключаются в следующем:

  1. измерения наиболее ответственных параметров следует дублировать, применяя приборы различного принципа действия;
  2. к группе однотипных приборов добавляется контрольный, находящийся в тех же условиях, что и работающие, но расположенный на элементе, не участвующем в работе; этим исключается влияние побочных факторов;
  3. в то же время не следует излишне увеличивать количество приборов;
  4. при прочих равных условиях приборы должны устанавливаться там, где измеряемые параметры достигают наибольших значений.

Установку приборов производят за несколько часов до испытания. У прогибомеров  в этот период происходит постепенная вытяжка проволоки (с. 57-58), у тензорезисторов - твердение клея (с. 62-65). Рядом с приборами наносят краской их номер. Проверяется удобство доступа к приборам.

2.4. Выбор для испытания конструкций в существующих зданиях и сооружениях.

      Выбор для испытания новых конструкций

При приложении нагрузкик существующему сооружению в работу могут вовлекаться или все его конструктивные элементы (например, пояса и решётки ферм пролетных строений мостов) или лишь отдельные их совокупности, ближайшие к месту нагружения (например, в многоэтажном здании каркасного типа нагрузка передаётся на фундамент через ближайшие к месту нагружения плиты, ригели и колонны).

Второй тип испытаний наиболее характерен для объектов промышленного и гражданского строительства, и выбор элемента для испытания здесь непосредственно связан с выбором места приложения нагрузки.

При этом стремятся выбрать элементы для испытания с возможно более четкой схемой опирания и закрепления, желательно свободный от дополнительных связей. В первую очередь испытывают наиболее нагруженные при эксплуатации элементы и элементы с дефектами и повреждениями.

На предприятии-изготовителе партияновыхбетонных и железобетонных конструкций комплектуется из изделий, при изготовлении которых были применены материалы одинакового вида и сорта, не было перерывов налаженного процесса выпуска, не изменялся основной состав персонала, занятый на производстве. Чёткой регламентации, сколько конструкций одинакового вида должна включать партия, не существует.

В период освоения серийного производства (т.е. перед началом массового производства), а также при коренных изменениях технологии количество изделий в партии должно быть не менее 10...15 шт., при этом должны быть испытаны не менее 2-х изделий из партии, причём до разрушения.

При массовом серийном производстве должно быть испытано не менее 1 %  партии, но не менее 2-х шт., если в партии менее 200 конструкций.

При массовом выпуске более 100 изделий в сутки количество  испытываемых  конструкций  может быть меньше 1 %  (до 0,2 %).

Рекомендуется отбирать для испытания образцы менее низкого качества, чем остальные изделия партии.

Конструкции, у которых прочность бетона ниже 90 %  проектной, комплектуются в отдельную партию. То же делают с изделиями, изготовленными с превышением минусовых допусков в размерах. После проведения контрольных испытаний конструкции перемаркировывают под новую нагрузку.

2.5. Схемы приложения нагрузок к испытываемым конструкциям

Примеры схем нагружения конструкций.

1. Сборная плита, опертая по двум сторонам.

         Это может быть пустотная, ребристая плита, плита сплошного сечения. Она работает в направлении длинной стороны (пролетаl) по балочной схеме. Загружается плита по всей площади.

2. Плита, опертая по двум длинным сторонам (сl >3b).

Это может быть монолитная (сборные плиты изготавливают в предположении их работы в направлении длинной стороны) разрезная плита. Эта плита работает на изгиб между балками в направлении короткой стороны (b- для неё является пролетом), приl > 1,5b плита уже не считается опертой по контуру.

В принципе, эту плиту также можно загрузить по всей площади, и по всей длине сечения 2--2 напряженное состояние её будет одинаковым.

Но можно сэкономить нагрузку, и такое же напряженное состояние получить лишь по одной линии пересечения сечения 2-2 с каким-нибудь сечением 1-1, если длину загружаемой полосы принять равной 1,5b в каждую сторону от этого сечения. Груз за пределами полосы длиной 3b практически не влияет на напряженное состояние плиты в этом сечении.

3. Многопролетная неразрезная балка.

        Стоит задача: создать максимальный изгибающий момент вj-ом пролете.

Чтобы определить, какие пролеты следует загрузить для решения этой задачи, построим линию влияния изгибающего момента в исследуемом пролете.

Поскольку ординаты линии влияния изгибающего момента вj-ом пролете резко уменьшаются при удалении от него, и в общей сумме произведений нагрузки на площади соответствующих участков линии влияния доля удаленных пролетов будет мизерной, то загружать эти пролеты не нужно.

4.  Многопролетная неразрезная плита загружается по тому же принципу.

5. Однопролетная балка с опертыми на неё разрезными плитами.

         Видно, что коэффициент использования нагрузки, расположенной по всей площади обеих смежных плит, опирающихся длинными сторонами на исследуемую балку, составляет 0,5, ибо половина нагрузки приходится на соседние балки.

Такой же эффект, какой получается при нагружении смежных плит по всей площади нагрузкойq, можно получить, нагружая плиты более интенсивной нагрузкойq*, приложенной на половине ширины плит. Определим, какова должны быть величинаq*.

В первом случае (1)RA = 0,5ql,RB = 0,5ql.

Во втором случаеRA +RB = 0,5q*l,

MA = RB l - 0,5 q*l * 0,25l = RB l – 0,125 q*l2 = 0.

RB = 0,125 q*l .(2)RA = 0,5 q*l - 0,125 q*l = 0,375 q*l .

Приравняем уравнения (1) и (2):0,5ql = 0,375q*l .

Отсюдаq* = 1,33q .

Т.е. для получения одинакового эффекта более интенсивная нагрузка должна превышать прежнюю на 33 %.

В первом случае  на 1 пог. м  длины  балки требуется нагрузкаq (кг/м)2l(м) = 2ql кг. Во втором случаеq*(кг/м)2l/2 (м) =q*l(кг) =1,33ql(кг). Это составляет1,33ql/(2ql) =0,67, т.е. 67 %  прежней нагрузки; экономия - 33 %.

А наиболее эффективным является приложение непосредственно к балке сосредоточенной нагрузки в виде, например, подвешенного груза или получаемой с помощью гидравлического домкрата.

Такие схемы нагружения, с помощью которых может быть получен практически одинаковый эффект, называютсяэквивалентными.

6. То же, с неразрезными плитами.

7. Колонны.

Для создания максимальной продольной силы в колонне

Для создания максимального изгибающего момента:

2.6. Значения полных испытательных нагрузок

Если конструкция находится в составе существующего здания или сооружения и после испытаниядолжнапродолжатьэксплуатироваться, то пробная испытательная нагрузка не должна выходить за установленный предел (расчетной нагрузки в наиневыгоднейшем её положении). Следует учитывать, что полная нагрузка на конструкцию складывается из испытательной, собственного веса конструкции и постоянно приложенных усилий от стационарного оборудования.

Если испытываетсяопытнаяконструкция, то максимум нагрузки устанавливается в зависимости от цели испытания, и конструкция может быть, например, доведена до разрушения.  Однако до начала испытания этот максимум должен быть ориентировочно вычислен с учетом всех характеристик конструкции, определённых в результате обследования. Причем нагрузкой следует запастись несколько большей, чем вычисленный максимум во избежание задержек при испытании.

Если испытывается железобетонная конструкциясерийного изготовления (выходной контроль качества на предприятии-изготовителе), то при проверке на прочность контрольная испытательная нагрузка принимается равной расчетной, умноженной на коэффициент 1,4...2.

Значения коэффициента зависят от типа конструкции, вида бетона и характера ожидаемого разрушения.

Например, для изгибаемой конструкции из обычного тяжелого бетона, которая должна разрушиться от наступления текучести в арматуре до раздробления бетона сжатой зоны, коэффициент равен 1,4,  от разрыва продольной арматуры - 1,6,  от раздробления бетона сжатой зоны или разрушения по наклонным сечениям - 1,6.

При проверке на жесткость контрольную испытательную нагрузку принимают равной нормативной нагрузке в наиневыгоднейшем её положении; при проверке на трещиностойкость - для изделий, к трещиностойкости которых предъявляется первая категория требований -  равной 1,05 от расчетной, к трещиностойкости которых предъявляется вторая категория требований - 1,05 от нормативной.

2.7. Статические испытательные нагрузки

Различаютдва типа нагружения конструкций по характеру нагружения: статическое и динамическое.

Строго говоря, чисто статических нагрузок не существует, так как  любой процесс нагружения происходит в течение какого-то отрезка времени. Но, если нагрузка нарастает линейно и достигает своего максимального значения за времяt, то влиянием сил инерции можно пренебречь, если отношениеt/T > 10, гдеT - основной период собственных колебаний конструкции.

Динамические нагрузки - это нагрузки, величина, направление и место приложения которых меняются настолько стремительно, что в элементах конструкции возникают силы инерции. Это - как бы добавка к основным статическим нагрузкам (по-видимому, Вы помните, что при расчете сборных железобетонных конструкций на воздействия усилий, возникающих при их транспортировании, нагрузку от их собственного веса вводят с коэффициентом динамичности 1,6,  а при подъёме и монтаже - 1,4).

Классификация статических нагрузокпо характеру их расположения на конструкциях: сосредоточенные; распределенные по линии; распределенные по площади. Распределенные нагрузки могут изменяться равномерно и неравномерно.

Требования к статическим нагрузкам:

- они должны давать возможность точного определения усилий;

         - они должны быть транспортабельными и не требовать значительной затраты времени для их приложения и снятия;

         - они должны обеспечивать постоянство усилия во времени;

         - они не должны загрязнять измерительные приборы.

Весовые нагрузки - это, во-первых, сыпучие материалы (песок, щебень, гравий и т.п.), которые должны укладываться на конструкцию в ящиках или мешках. Такие нагрузки не удовлетворяют ни одному из сформулированных ранее требований к статическим нагрузкам и применяются редко.

Мелкие штучные грузы (кирпич, чугунные чушки-отливки, мелкие бетонные блоки и т.п.) также мало отвечают указанным требованиям, но, если применяются, то укладывать их нужно без перевязки рядов, в виде отдельных несоприкасающихся столбиков шириной не более 1/6 пролета, с зазором не менее 50 мм между столбиками, иначе материал образует самонесущий свод, передающий вес вышерасположенной кладки на опоры конструкции.

Крупные штучные грузы (например, фундаментные блоки) могут быть точно взвешены и замаркированы, укладка и снятие их могут быть механизированы, но при деформации конструкции передача давления от груза начинает осуществляться не по всей нижней поверхности груза, а лишь через его углы. Т.е. нагрузка перестает быть равномерно распределенной, а превращается в сосредоточенную. Но использовать её и в качестве сосредоточенной (например, подбив под груз в нужных точках деревянные прокладки) не представляется возможным, так как при передаче усилия через такие прокладки к деформировавшейся конструкции возникает горизонтальная составляющая, искажающая характер нагружения. Поэтому такие грузы применяют для испытания массивных конструкций с большой собственной жесткостью, не получающих значительных деформаций.

Самой удобной весовой нагрузкой являетсянагружение водой. На конструкции расстилается защитное брезентовое полотнище, затем водонепроницаемая оболочка, которые крепятся на ограждении, воспринимающем распор воды. Воду заливают шлангом или насосом, спуск осуществляют сифоном или откачкой насосом. Способ отвечает всем требованиям к идеальной весовой нагрузке (например, для точного определения прикладываемого усилия достаточно знать площадь загружаемой поверхности и иметь линейку для замера толщины слоя воды). Способ не применяют, если требуется испытать конструкцию с негоризонтальной поверхностью и при отрицательной температуре.

Вода являетсязагрузочным средством и при испытании ёмкостных сооружений - резервуаров, газгольдеров и т.д., так как испытывать такие конструкции сжатым воздухом не разрешается. Для повышения давления иногда применяют загрузочные жидкости с объемной массой более 1 т/м3- глинистый раствор со специальными утяжелителями (баритом, молотой железной рудой и другими добавками); при сохранении жидкой консистенции (для поддержания утяжеляющей суспензии во взвешенном состоянии перспективно использование ультразвука, пропускаемого через жидкость) объемная масса может быть доведена до 1,5 т/м3.

Условно к весовым нагрузкам можно отнестизагружение воздухом(только в лабораторных условиях). Равномерно распределенная нагрузка создается повышением давления в воздухонепроницаемых плоских мешках («камерах») из клеёнки или тонкой резины, защищенных брезентовым чехлом. Свободное раздувание мешков сдерживается накрывающим их настилом и системой верхних траверс, заанкеренных в силовой плите (см. с. 52).

Весовые нагрузки  применяются и для создания сосредоточенных усилий путёмподвешивания грузов на специальных площадках  или в загрузочных ящиках.  При подвешивании грузов величина действующего усилия не зависит от прогибов конструкции.

1 - рычажное приспособление,которое позволяет нагружать грузовую площадку,  находясь не под нагружаемой конструкцией, а несколько в стороне. Но это не рычажная установка! (см. ниже).

Распределительные устройства для имитации распределённой нагрузки:

         на балку                                                                      на плиту

Способ подвешивания грузов используется  и в так называемыхрычажных установках (только в лабораторных условиях).Они позволяют зафиксировать прикладываемую нагрузку с большой точностью (вплоть до 1 кг), чего невозможно добиться при использовании гидравлических домкратов (см. с. 53).

1 - испытываемая конструкция

2 - опора

3 - рычаг

4 - анкерная тяга

5 - грузовая площадка.

Для статического нагружения конструкций в лабораторных условиях удобнее использовать не весовые нагрузки, а нагрузки, создаваемыемеханическими средствами.

Основным оборудованием лабораторий по испытаниям строительных материалов и конструкций являютсяиспытательные машины и прессы.

Для проведения статических испытаний на сжатие, поперечный и продольный изгиб стандартных образцов, деталей, узлов и строительных конструкций используются прессы ПММ(ИПС) -1000 500 200 и125 (тс), универсальные испытательные машины для статических и динамических испытаний МУП-200 100; 20 (тс) универсальные машины для статических испытаний на растяжение, сжатие, изгиб и загиб УММ-200 (тс), Р-100 50 20 10 5 0,5 (тс); МР-0,5-1 (тс), РМУ-0,05-1 (тс), прессы для испытания стандартных образцов стройматериалов: П-500 250; 125 50 10 5 2,5 (тс).

Когда размеры испытуемых конструкций и необходимые усилия превышают возможности  прессового оборудования, испытания проводят на специальных стендах с помощью гидравлических домкратов.

Для использования в полевых условиях применяют сборноразборные инвентарные стенды (обычно это замкнутые системы, работающие в горизонтальном положении и не нуждающиеся в фундаменте, пример будет дан ниже), в лабораторных условиях стационарные стенды, монтируемые на силовой плите.

Силовая плита это железобетонный массив толщиной 1...1,5 м.  Она выполняет две функции фундамента, воспринимающего все направленные вниз усилия, и анкера, воспринимающего все выдергивающие усилия.

Силовая плита армируется в продольном и поперечном направлениях.  Для обеспечения анкеровки в ней устраиваются анкерные щели (ручьи),  образуемые обычно двумя мощными швеллерами, устанавливаемыми параллельно с зазором около 100 мм между стенками.  Под швеллерами устраивается при бетонировании пустота  на ширину полок для размещения в ней анкерных устройств. Швеллеры усиливаются ребрами жесткости, к ним приваривается система арматурных стержней, которые способствуют более надёжному закреплению ручья в бетоне.

В более мощных ручьях эти швеллера служат верхним поясом фермы с параллельными поясами, все элементы решетки которой утоплены в бетоне.  Сверху ручьи укрываются полосами из листовой стали.

Стационарные стенды подразделяются на стенды с вертикальной и горизонтальной передачей нагрузки.

Стенд с вертикальной передачей нагрузки

1 - испытываемая конструкция

2 - опоры

3 - верхняя траверса

4 - домкрат

5 - анкерная тяга

6 - распределительная траверса

7 - динамометр (поэтому 6 иногда называют ди-  намометрической траверсой)

8 - силовая плита.

Стенд с вертикальной передачей нагрузки ( при испытании в перевёрнутом состоянии)

3 - анкер всё остальное как на предыдущей схеме.

Стенд с горизонтальной передачей нагрузки

1 - неподвижные траверсы

2 - подвижная траверса

3 - направляющие

4 - домкраты

5 - анкерные тяги

6 - испытываемая конструкция.

Имитация шарнирноподвижной и шарнирнонеподвижной опор:

шарнирно-подвижная

1 – отрезок гладкой арматуры диаметром 36 или 40 мм;

                                                        2 – верхняя и нижняя металлические пластины;

                                                        3 – ограничивающие стержни

шарнирнонеподвижная

1 - точечный катокd = 50...100 мм; 2 - пластина на опоре установки; 3 - пластина на конструкции; 4 - ограничивающие стержни; 5 - сварка; 6 - уголок; 7 - бетон.

Домкраты.  По способу создания нагрузки домкраты делятся на гидравлические и винтовые.  Для испытания строительных конструкций чаще всего применяются гидравлические домкраты. Их действие основано на законе гидростатического давления сила, развиваемая домкратом, равна произведению площади поршня на давление в рабочей полости цилиндра.  Давление создаётся насосом, подающим масло.  Сорта масел: ВМГ3 и МГ30 (реже индустриальное30 или 20  веретённое; трансформаторное).  Наибольшее распространение получили облегчённые домкраты системы ЦНИИСК.  Это тщательно обработанные цилиндрические пары

1 внешний цилиндр (имеет два отверстия с резьбовыми штуцерами для присоединения маслопроводов от насосной станции);

2 внутренний цилиндр (плунжер).

Грузоподъемность их -  50...500 кН. Ход поршня 100...150 мм; если его не хватает, применяют прокладки.

Для использования домкрата в составе испытательного стенда его предварительнотарируют в комплекте с манометром насосной станции.  Суть тарировки домкрат зажимают между плитами гидравлического пресса и подают в него масло от насосной станции возникающее в рабочей полости давление передается прессу, стрелка его начинает отклоняться; ступени нагружения по 0,1 от максимального усилия домкрата берут одновременно отсчёты по шкале пресса и по шкале манометра в итоге составляется тарировочная таблица.

Гидравлический домкрат имеет один недостаток: при его использовании нельзя точно зафиксировать значение разрушающей нагрузки (он развивает усилие только в случае, когда  испытывает сопротивление со стороны конструкции; когда же оно вдруг частично исчезает (при сильных деформациях конструкции), развиваемое усилие сразу же уменьшается, и по манометру насосной станции мы фиксируем меньшее усилие, чем за мгновение до того, как исчезло сопротивление). Конструкция ещё некоторое время воспринимает нагрузку, работает и, наконец, разрушается, ноточнозафиксировать разрушающую нагрузку мы не в силах, так как  стрелка манометра начинает неудержимо падать к нулю.

Насосная станция состоит из насоса простого действия, масляного бочка ёмкостью 10 л, распределительной коробки, рычага и манометра. Типы насосных станций НСР400 (ручная) и НСП400 (с электроприводом) 400максимальное давление, создаваемое станцией, ат.

Станции соединяются с домкратами высоконапорными трубками (гибкими рукавами) маслопроводами.  Их изготавливают из нескольких слоёв резины и хлопчатобумажной ткани, концевые участки бронируют металлической оплёткой.

Динамометры бывают двух видов стационарные и переносные.  Стационарные служат для поверки рабочих переносных, которые делятся на пружинные, гидравлические и электромеханические.

В пружинном динамометре усилие передаётся непосредственно пружине.  Между передаваемым усилием и деформацией пружины существует определённая зависимость.

Гидравлический динамометр, как и пружинный, измеряет растягивающие усилия

1 - рабочий цилиндр

2 - поршень

3 - серьги

4 - измерительный цилиндр

5 - поршень

6 - пружина  7 - стрелка   8 - шкала

Электромеханические динамометры а) тяговый динамометрический элемент в виде стального  стрежня круглого сечения б) кольцевой динамометр для измерения незначительных сжимающих усилий в) толстостенный цилиндр для измерения значительных сжимающих усилий.

Манометры. Чаще всего используют манометры с трубчатой пружиной.

1 трубчатая пружина

2 зубчатый сектор

3 стрелка

4 шкала

5 штуцер

Перемещение свободного конца пружины пропорционально давлению жидкости внутри самой пружины.  Технические манометры высокого давления имеют следующие предельные значения шкал 60, 80, 100, 120, 160, 200, 250, 300, 400 и т.д. до 2000 ат.  Различают два класса точности «2,5» и «4», т. е. с допуском предельной ошибки при измерении не более 2,5 и 4 %.

Натяжные устройства, в которых используются тросы, полиспасты и лебёдки.

1 – трос; 2 – динамометр; 3 – лебёдка

Достоинство этих устройств не нужно взвешивать и перемещать грузы направление усилий может быть не только вертикальным, а любым усилия легко регулируются. Используются и для испытания конструкций существующих зданий и сооружений.

При создании сравнительно небольших усилий ( 10 кН) можно применять стальные стержни, соединённые стяжной муфтой (с правой и левой резьбой на концах муфты).

2.8. Динамические испытательные нагрузки

Классификация динамических нагрузок.

Это нагрузки, имитирующие динамическое воздействие, которые меняются настолько быстро,  что в элементах конструкции возникают силы инерции.

Величина, направление и место приложения таких нагрузок могут меняться независимо друг от друга.

Различают динамические нагрузки

1. Неподвижную (силы инерции движущихся частей механизмов и машин).

2. Подвижную (от кранов, транспорта, движения людских масс).

3. Импульсную, действующую в течении малого промежутка времени (взрыв, изменение давления газа).

4. Ударную, создающуюся падающими телами  и механизмами ударного действия.

5. Динамическую составляющую ветровой нагрузки.

6. Сейсмические нагрузки.

Имитируют динамические нагрузки следующими способами

1.Неподвижную с помощью вибромашин (механический метод) и гидравлических домкратов с пульсирующим действием (гидравлический метод).  Основным элементом вибромашин является неуравновешенная масса (дебаланс, эксцентрик), приводимая в движение электромотором. Есть машины с одним, двумя и восьмью эксцентриками:

   с одним эксцентриком она ненаправленного типа, колебания возбуждаются в направлении двух координатных осей.

X = ma2cost;

Y = ma2sint;

угловая скорость

1 – центр вращения;

2 – центр дебаланса

    с двумя эксцентриками она с заданным направлением возбуждения, возникает вертикальная направляющая, равнаяY = 2ma2sint (массы вращаются в противоположных направлениях);

  с восьмью эксцентриками; каждая из масс может вращаться в двух направлениях  от этого зависит направление равнодействующей силы.

Гидравлический пульсатор  (плунжерный).

1 кривошип  2 шатун  3 цилиндр пульсатора  4 аккумулятор (для регулирования динамических характеристик пульсатора)  5 рабочий цилиндр  6 плунжер (рабочая масса)

Достоинствами гидравлических домкратов, соединённых с насосной установкой и специальным агрегатом пульсатором, возбуждающим переменный поток жидкости, являются

возможность создания значительных усилий в различных сочетаниях их по величине, направлению и фазе

дистанционность возбуждения

возможность программирования режима длительных испытаний и автоматизация всего процесса.

2.Подвижную. При испытании сооружений и конструкций, предназначенных для пропуска перемещающихся грузов (подкрановых конструкций, автодорожных и железнодорожных мостов, путепроводов, виадуков, эстакад и других транспортных сооружений),  загружение производят с максимальным приближениям к эксплутационным условиям теми же нагрузками, которые будут действовать при эксплуатации.  Существуют специальные схемы установки нагрузки (например, Н10, НК30, НК80 для автодорожных мостов) в пролётах и на опорах.  При движении нагрузки по сооружению и при остановке в необходимых, заранее  заданных положениях, снимаются отсчёты по приборам.

В 2000 г. в Лондоне построили пешеходный мост «Миллениум» стоимостью 25 млн. фунтов стерлингов. Однако после окончания строительства выяснилось, что мост сильно раскачивается, и его закрыли. Понадобились ещё 7 млн. на увеличение жёсткости моста. Испытательной нагрузкой для него согласились быть архитекторы, конструкторы-авторы моста и студенты-добровольцы. Так впервые в качестве весовой подвижной нагрузки использовалась толпа.

3.Импульсную с помощью направленного взрыва определённой мощности (пневматический метод), произведённого на соответствующем расстоянии.

Можно использовать и специальные гидравлические пульсаторы, создающие гидродинамический удар.

4.Ударную.  Незначительную нагрузку для возбуждения колебаний в лёгких и подвижных элементах можно создать ручной трамбовкой.  Для более мощных конструкций до недавнего времени применяли падающие грузы массой 100 кг и выше с высоты 1...1,25 м (гравитационный метод) в место падения укладывали слой песка, чтобы не было повреждений конструкции и для исключения подскока груза.  Неудобства возникают при подъёме груза.  Его можно избежать при использовании падения груза не на конструкцию, а с конструкции (нагрузка передаётся также внезапно).

Возможно использование так называемого «обратного удара» (конструкция первоначально отклоняется от состояния равновесия, а затем внезапно освобождается перерезанием троса).

Для горизонтальных ударов пользовались подвешенным грузом, действовавшим по принципу «тарана». Сейчас также используют «обратный удар».

5. Сейсмическую, относящуюся к категории таких динамических воздействий, точно предсказать величины и характера которых невозможно.  Сложно воспроизвести реальные условия нагружения элемента сейсмической нагрузкой и по причине ограниченности экспериментальных возможностей.  Поэтому обычно вынуждены довольствоваться результатами, которые получаются при более простых законах воздействия, а именно при циклических нагрузках, обусловливающих малоцикловую усталость материала, и при кратковременных импульсных и ударных нагрузках большой интенсивности.

Испытания проводят обычно на специальных сейсмоплатформах, оборудованных устройствами для воспроизведения таких нагрузок.  Такие платформы есть в бывших среднеазиатских и закавказских республиках и в Москве, в ЦНИИСКе.  В последнее время начинает появляться оборудование программного управления, позволяющее «прокрутить» конструкцию или модель сооружения по программе, составленной в соответствии с инструментальными записями движения поверхности Земли при некоторых уже свершившихся землетрясениях, скажем, Ташкентском, Калифорнийском и др. Сейсмоплатформа - это 6-тикомпонентный вибростенд (линейные, колебания по направлению трех координатных осей и вращательные колебания относительно этих осей).

2.9. Приборы, используемые при испытаниях конструкций

Прогибы и линейные перемещения конструкций измеряют прогибомерами и индикаторами углы поворота клинометрами, отвесами, преобразователями угловых перемещений сдвиги отдельных элементов конструкции или её волокон относительно друг от друга сдвигомерами.

Прогибомеры.

Сделаем небольшой исторический экскурс. Простейшие приспособления, которые использовали для определения деформаций

1 – общая риска; 2 – карандаш; 3 – бумага  миллиметровая

После деформации концы риски смещались относительно друг  друга, а карандаш очерчивал линию определённой длины.  Точность измерения 1 мм.  Чтобы её повысить, придумали другое приспособление:

1 – нить; 2 – стрелка; 3 – груз; 4 – кронштейн со шкалой

Приa/l = 1/10 перемещение узла на 1 мм вызовет перемещение конца стрелки на 10 мм, т.е. точность измерения повышается в 10 раз и становится равной 0,1 мм.

На принципе использования нити с грузом и основана работа всех современных прогибомеров.

Прогибомер  Н.Н. Максимова ПМ2.

1 маленький барабан

2 большой барабан со шкалой

3 ролик

4 стрелка

5 шкала

(цена деления0,1 мм, число делений100 одному полному обороту стрелки соответствует прогиб в 10 мм).

Число оборотов (см) фиксируется по шкале большого барабана.  Недостаток прибора наличие фрикционной передачи между 2 и 3, поэтому возможно проскальзывание.  В ПМ3 фрикционная передача заменена на зубчатую, но в этом случае возможен люфт изза зазора между зубцами. Кроме того, прибор очень чувствителен к толчкам.

Прогибомер  Н.Н. Аистова ПАО5.

1 маленькая шестерёнка

2 стрелка

3 большая шкала (цена деления0,01 мм,

     число делений100)

4, 8, 9 шестерёнки

5 стрелка ммой шкалы

6 ролик

7 стрелка смой шкалы.

Прибором без перестановки можно измерить деформации до 100 мм, а прогибомер ПМ2 имеет неограниченный диапазон измерения.

Стальная проволока в обоих прогибомерах диаметром 0,4 мм, масса гири 1...3 кг.

Возможны два способа установки прогибомеров дистанционно (прибор устанавливают неподвижно вне конструкции, например, на треноге, а конец нити закрепляют на конструкции) и контактно (прибор находится непосредственно на конструкции, а конец нити закрепляют к неподвижной поверхности - грунту).

Существуют также прогибомеры системы Е.Г. Мокина (ЦНИИСК), Емельянова, Грио, Ришара, Амслера, и др.  Принцип их работы такой же, как и рассмотренных.

Индикаторы.

Индикатор часового типа состоит

        1 металлический стержень с канавками (штифт с зубчатой

                                                                     кремальерой;

        2 маленькая шестерня

        3 большая стрелка

        4 большая шкала (цена деления 0,01 мм, число делений 100)

        5 большая шестерня;

        6 маленькая стрелка

        7 маленькая шкала (цена деления 1 мм, число делений 10),          фиксируется число оборотов большой стрелки

8 дополнительная шестерня (в зацеплении с 2)

9спиральная пружина (постоянно стремится возвратить стержень 1 в крайнее нижнее положение);  это позволяет измерять деформации в обоих направлениях

Шкала 4 - подвижная и позволяет совместить начальное положение стрелки 3 с нулевым делением.

Крепление посредством струбцины с непосредственным упором головки стержня 1 в конструкцию при неподвижном корпусе прибора или, наоборот, с упором головки в неподвижную точку, не связанную с конструкцией, при корпусе, закреплённом на самой конструкции.

Диаметр корпуса 55 мм, масса 150 г. Недостаток максимальная измеряемая деформация 10 мм.

Прибор можно использовать и при длительных испытаниях конструкций, когда он приклеивается на специальном дюбеле к поверхности конструкции, а измерение деформаций производится на определённой базе при этом один конец удлинителя вставляется в стержень вместо вывернутой головки, а другой приклеивается к конструкции (на другом дюбеле).

С помощью индикатора можно зафиксировать возможное проскальзывания арматуры внутри бетонного тела, когда он крепится на свободном конце арматурного стержня, выходящем из торца конструкции, а головка стержня упирается в торец конструкции.

Индикатором можно измерить также прогибы и выгибы конструкции, закрепив его на штанге, опирающейся на конструкцию на концевых её участках, а головку стержня уперев в конструкцию в требуемом сечении.

В работеэлектромеханических измерителей перемещений используется тарировочная зависимость между измеряемым перемещением и деформацией упругого элемента прибора, определяемой с помощью наклеенных на него тензорезисторов.

Электромеханический прогибомер.

1 жесткие передаточные элементы  2 консольные пластины (упругие консольные элементы)

3 "защемление"  4 тензорезисторы.

Функция преобразования перемещения в электрический сигнал линейная.

Электромеханический измеритель перемещений в виде жёсткой пластины.

1 жёсткая пластина

2 верхний проволочный резистор

3 упорыизоляторы

4 нижний проволочный резистор

5 опоры

2 и 4 подвергаются деформации разного знака, поэтому включаются в смежные плечи мостовой цепи. Если ось была бы посередине, то деформация была бы одного знака.

Электромеханический тензометр с тензорезисторным преобразователем.

1 неподвижная ножевая опора

2 консольная балочка

3 подвижная ножевая опора

4 тензорезисторы

5 кронштейн

Балочке задаётся начальный выгиб, несколько превышающий максимальное ожидаемое перемещение обратного знака.

Электромеханический измеритель перемещенийдвух вертикальных поверхностей навстречу друг другу (в двух вариантах).

1 жёсткий штифт

2 тензорезисторы

3 гибкий элемент (рамочка)

4 гибкий элемент

    (консольная балочка)

5 кронштейн

Клиномеры.

Рычажный клиномер Н.Н. Аистова.

1рычаг из уголковой стали с выбранном на нём двумя точками А и В и жёстко закреплённый на конструкции в сеченииII

2 прогибомер

Если с1 и с2 отсчёты до загружения с1 и с2 то же, после загружения, то а = с1с2b = = с2с2tg = (а - в)/l. Если цена деления прогибомеров 0,01 мм то точность измерения угла поворота составляет 0,01/1000 = 0,00001, что соответствует значению угла в 2.

Клинометр Стоппани.

1 конструкция

2 уровень

3 микрометрический винт с лимбом и указателем

Закрепление посредством струбцины.  Если  с1 и с1 отсчёты, соответственно, до и после нагружения (при отгоризонтированном уровне), тоtg = 0,00003(с1с1) так подобраны шаг микрометрического винта, расстояние между опорой и осью винта (175 мм), цена деления диска (лимба).

4-я модель клинометра Н.Н. Аистова.

1 корпус

2 маятник

3 микрометрический винт  с указателем и лимбом

4 весло

5 глицерин

6 струбцина

7 зуммер

8 провода

После деформации маятник остаётся в вертикальном положении, а корпус поворачивается.  Если с1 и с1 отсчёты соответственно до и после загружения (при соприкосновении конца микрометрического винта с маятником), тоtg = 0,000025(с1с1).

Конструкция может работать на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, срез или на их сочетание.  Это сопровождается линейными фибровыми деформациями, прогибами, изменениями углов поворота и сдвигами.

Линейные деформации измеряют тензометрами, тензорезисторами, индикаторами.  По деформациям определяют напряжение, используя в упругой стадии закон Гука, в пластической функциональные зависимости между деформациями и напряжениями.  Непосредственно измерить напряжение невозможно, это величина условная, хотя именно она нас больше всего интересует.

Требования к идеальному тензометру.

1. Он должен иметь высокую чувствительность к статическим и динамическим деформациям для железобетонных и металлических конструкций минимальная регистрируемая деформация 1·105  (0,001%) практически уже достаточна (это соответствует напряжению примерно 0,2 в железобетоне и 2 МПа в металле.

2. База измерения деформации должна соответствовать задачам эксперимента.  Напряжение во всех прочностных расчётах всегда связывают либо с некоторой точкой материала, либо с конкретным сечением элемента.  Однако тензометр обладает определёнными габаритами и регистрирует деформацию некоторого участка материала (база тензометра), т.е. усредняет измеряемую деформацию.

Следует ли из этого, что база идеального тензометра должна быть предельно малой  В отношении абсолютно однородного и изотропного материала такой подход справедлив.  Обычные строительные материалы таковыми не являются.  Чтобы исключить влияние конгломератности строения материала и усреднить неоднородность их деформирования, база тензометра в 7...10 раз должна превышать размер максимального структурного элемента.  Для металла база в 0,2...0,3 мм уже достаточна для осреднения, для бетона оптимальная база может достигать 100, 200 и даже 500 мм.

С другой стороны, база не должна превышать элементарный объём материала, в пределах которого напряжение можно считать однородным.

3. Идеальный тензометр должен иметь минимальную массу и жёсткость.

4. Он должен иметь широкий измерительный диапазон.  Нас уже не удовлетворяет  регистрация только упругих деформаций до (500...700)·105 (0,5...0,7 %).

5. Он должен быть нечувствителен к влиянию окружающей среды.

6. Он должен быстро и надёжно устанавливаться и быть недорогим.

7. Он должен обеспечивать возможность дистанционной регистрации и скоростного снятия показаний.

8. При измерении динамических деформаций он должен обладать достаточной вибрационной прочностью.

Далее мы будем рассматривать реально существующие тензометры, и Вам самим предстоит определить, в какой степени они соответствуют перечисленным требованиям.

Тензометры делятся на механические, электромеханические, электрические тензометры сопротивления (тензорезисторы) и струнные (структурные тензорезисторы).

Механическиетензометрычаще всего бывают рычажного типа.

Первый из них - это тензометр Гугенбергера (Хугенбергера).

Его кинематическая схема:

1 неподвижная опора  2 подвижная опора

3 рычаг  4 стрелка   5 шкала  6 ползун

7 коромысло (поводок)  8 зеркало  9 корпус

Это - двойная рычажная система, образованная подвижным рычагом и стрелкой, соединёнными поводком.  Цена деления шкалы 0,01 мм, количество делений 50  база 20 мм, её можно увеличить до 200 мм при помощи удлинителя.  С помощью ползуна можно установить стрелку на любое деление шкалы.  Масса прибора 70 г, высота 135 мм.  Крепление посредством струбцины.

Прибор отличается высокой точностью, имеет простую конструкцию.  Однако для его установки требуется известные навыки, он очень хрупок, легко повреждается, имеет сравнительно иалый диапазон измерений (даже с учётом перестановки стрелки после исчерпания шкалы), его невозможно использовать в дождливую и ветренную погоду.

Тензометры Н.Н.Аистова  ТА2 и ТА6.

Они электромеханического типа.  Их кинематическая схема:

1 неподвижная призма

2 подвижная призма

3 рычаг (плоский)

4 микрометрический винт

5 лимб с делениями

6 указатель для снятия отсчётов

7 счётчик оборотов

8 верхняя часть металлического корпуса

9 нижняя его часть  10 изоляция

          11 провода к сигнальному устройству

При работе с прибором лимб вращают до соприкосновения острия микрометрического винта с площадкой рычага.  В момент касания цепь замыкается, включается звуковой сигнал (зуммер) и по шкале лимба напротив указателя берут начальный отсчёт.  Затем отводят винт от рычага, размыкая цепь.  После приложения нагрузки и деформирования конструкции берут новый отсчёт.  Цена деления шкалы 0,001 мм, количество делений 100, база20...50 мм (за счёт перемещения опорной призмы вдоль станины) её можно увеличить до 100, 150 и 200 мм при помощи удлинителей.  База тензометра зависит от измеряемой деформации, модуля упругости материала и требуемой точности измерения.

Крепление посредством струбцины.  Масса прибора 37 г, высота 62 мм, т.е. центр тяжести расположен гораздо ниже, чем у тензометра Гугенбергера (сравните) и он более устойчив.  Высокая точность, простая конструкция, удобство установки и надёжность в работе позволяют широко использовать его как в лабораторных, так и в полевых условиях.  Однако снятие отсчётов по лимбу путём его вращения вручную повышает погрешность измерений.  Кроме того, в момент замыкания цепи между остриём винта и площадкой рычага проскакивает искра, происходит обгорание площадки и её приходится периодически очищать от окалины.

Тензорезисторные преобразователи (тензорезисторы).

Принцип работы тензорезистора основан на изменении сопротивления проводника при его деформировании.  Это свойство называется тензочувствительностью.  Сопротивление проводника прямо пропорционально его длине и удельному сопротивлению и обратно пропорционально площади поперечного сеченияR=l/F.

Важнейшей характеристикой тензорезистора является коэффициент тензочувствительности, равный отношению относительного изменения сопротивления к его относительной деформации К= (R/R)/(l/l).

Идеальный проводник для тензорезистора должен обладать высокой тензочувствительностью, высоким удельным сопротивлением и малым температурным коэффициентом сопротивления.  Обычно используют сплав меди с никелем (константан, эдванс, элинварelastos (гр.)эластичный, упругий:invariabilis (лат.) неизменный).  Их тензочувствительность сравнительно невелика (к = 1,9...2,2) есть металлы и сплавы сКдо 6,5, но они не обладают стабильностью электрических и механических свойств и малым температурным коэффициентом сопротивления (2·106 град1).

Наиболее широко используетсятензорезистор из несколько близко расположенныхпетельконстантановой проволоки, намотанных в плоскости и приклеенных к плёночной или бумажной подложке.  Диаметр тензопроволоки 0,012... 0,03 мм.  Это обеспечивает высокое сопротивление проволоки, а жёсткость её оказывается значительно ниже, чем клея, которым она приклеивается.  Скрепляющее и поддерживающее проволоку действие клея обеспечивает совместное деформирование тензорезистора с материалом конструкции, при этом проволока сжимается прямолинейно, не выпучиваясь и не искривляясь.

Для удобства припайки к концам проволоки привариваются токовыводы из медной проволоки диаметром 0,1...0,2 мм и длиной 20...30 мм.  Расстояние между петлями называется базой тензорезистора. Выпускаются тензорезисторы  сl = 5...100 мм и сопротивлением 50...400 Ом.

В форме петлевого тензорезистора заложен конструктивный недостаток участки проволоки, приходящиеся на петли, обуславливают поперечную чувствительность.  Этот фактор приводит к снижению основной характеристики осевой тензочувствительности.  Это влияние растёт с увеличением числа петель и уменьшением базы.

Этого недостатка лишенытензорезисторы беспетлевого типа, в которых решётка образована пучком параллельных тензопроволок, замкнутых в определённых местах медными перемычками.

Продолжения пучка проволок за пределы базы обеспечивает дополнительную анкеровку решётки в клеевой плёнке и существенно улучшает распределение напряжений сдвига в клее в пределах активной базы (пики напряжения срезаются за её пределами).

Поперечная чувствительность отсутствует и вфольговых тензорезисторах, имеющих решётку из тонких полосок фольги толщиной 0,003 0,01 мм, которую наносят на плёнку из синтетической смолы или на бумагу, пропитанную клеем.  Решетку таких тензорезисторов различной формы и размеров изготавливают фотолитографическим методом.  Поперечная чувствительность практически отсутствует вследствие уширения сечения фольги в зоне петель.  Плоское сечение, развитое в плоскости приклейки, рациональнее круглого сечения проволоки и увеличивает площадь контакта с объектом измерения.

Полупроводниковые тензорезисторы получают электрической резкой монокристаллов германия и кремния на пластинки толщиной 0,01...0,02 мм, шириной 0,5...1 мм и длинной 2...15 мм.  Последующую корректировку сопротивления осуществляют шлифовкой.  Для присоединения выводных контактов по концам пластинки вплавляют в вакууме слой золота или сплав олова с сурьмой.  Такие тензорезисторы имеют в 60 раз большую, чем константановая тензорешётка, тензочувствительность, но в 60 раз больший и температурный коэффициент сопротивления.  Кроме тогоКу них зависит от температуры и величины деформации кремний и германий хрупки.  Это позволяет использовать их лишь при динамических испытаниях, когда вследствие кратковременности изменением температуры можно пренебречь.

Тензометрические клеи должны обладать следующими свойствами хорошей адгезией (прилипанием) к тензорешётке и материалу конструкции высокой жёсткостью при сдвиге высокими и стабильными диэлектрическими свойствами достаточной термогидростойкостью технологичностью применения.

Клеи и цементы в зависимости от характера процесса схватывания и твердения делятся на три группы

высыхающие клеи, твердение которых происходит в результате испарения излишков растворителя в нормальных условиях

полимеризующиеся клеи

спекающиеся цементы, требующие высокотемпературной обработки.

Кремнийнитроглифталевый клей 192Т это частично полимеризующийся клей холодного отверждения.  Это раствор коллоксилина, глифталевой смолы и смеси растворителей.  В условиях нормальной температуры и влажности отвердение происходит в течении 24 часов.  Недостаток значительный коэффициент гигроскопичности.  Рабочий температурный диапазон 500С.

Фенолформальдегидные клеи группы БФ это спиртовой раствор фенольной смолы и поливинилбутироля.  Требует термообработки (ступенчатого нагрева до 1800 ...2000С).  При естественной сушке прочность на сдвиг уменьшается на 40...50 %.  Рабочий температурный диапазон +1500С.

Винифлексовые клеи (лаки) ВЛ4 и ВЛ6 горячего отверждения.  Это раствор винифлекса и фуриловой смолы.  Полная полимеризация наступает после ступенчатого нагрева до 1600С.  Допускается кратковременное тензометрирование приt0 до 1000С.

Фуриловый клей Ф7Т горячего отверждения.  Это спиртоацетоновый раствор фуриловофенольной смолы.  Полная полимеризация наступает после нагрева по определённому режиму (что ограничивает его применение) до 2500С.  Рабочий температурный диапазон 2000С.

Цемент В58 это спекаемое связующее, применяемое для тензометрирования приt0 до 600...7000С.  Он изготавливается на основе кремнийорганических соединений и требует сравнительно низкой температуры обработки 250...3000С.  Он обладает высокой водостойкостью и может применяться в условиях совместного действия повышенных температур и 100 %ной влажности.  Недостатки ограниченная деформативность и сложность технологии монтажа тензорезисторов.

Цианоакрилатный клей (циакрин) быстро твердеет в течении 40...60 мин при комнатной температуре.  Однако клей моментально схватывается, что затрудняет монтаж тензорезисторов.  Кроме того, клей постоянно должен хранится при температуре (20)...(40) С.

Возможно применение клеев целулоидного, полиметилакрилового, карбинольного и др.

Подложкойтензорезисторов служит высококачественная бумага или плёнка из полимеризующихся клеев.  Бумага толщиной 0,02...0,05 мм применяется для тензорезисторов, предназначенных к использованию на изотропных материалах (металл, пластмассы), толщиной 0,1...0,15 мм на анизотропных материалах (бетон).

Плёночная подложка толщиной 0,02 0,05 мм применяется в малобазных тензорезисторах при тензометрировании в пластической стадии деформирования, при измерении деформаций низкомодульных материалов и вообще, когда к тензометрированию предъявляются повышенные требования.

Технология приклейки тензорезисторов.

Места наклейки зачищают до полного удаления грязи, окалины, ржавчины, пыли.  Используют наждачную бумагу средних номеров.  Выявленные после очистки раковины и трещины на поверхности бетона заделывают безводным зубоврачебным цементом.  Зачищенную поверхность для обезжиривания промывают ацетоном или спиртом.  После этого наносится грунтовка 23 слоя клея с сушкой каждого слоя в течении 30...40 мин.  В это же время грунтуют и тензорезисторы.

Перед наклейкой на подготовленную поверхность и подложку тензорезистора снова наносят тонкий слой клея, который просушивается в течении 10...15 мин, затем подложка покрывается более толстым слоем клея, тензорезистор укладывают на требуемое место, ориентируют, укрывают целлофановой или полиэтиленовой плёнкой, и нажатием пальца изпод него удаляют излишки клея.  В течении 1...2 мин. держат тензорезистор, прижав пальцами.

Время сушки клеев холодного твердения1...2 суток (в зависимости от окружающей температуры).  Время сушки перед термообработкой полимеризующихся клеев10...12 час.  Термообработка небольших образцов производится в термостатах, больших с помощью рефлекторов, источников инфракрасного излучения и др.

Качество приклейки проверяется после подключения тензорезисторов к регистрирующей аппаратуре.  Его покрывают плёнкой, с небольшим нажимом прокатывают по нему ролик.  При отсутствии непроклееных мест стрелка прибора должна отклоняться не более, чем на 1-2 деления.

Изоляция тензорезисторов.

Влага воздуха (а тем более атмосферные осадки) изменяют объём клея и подложки, их механические и динамические свойства.  Увеличиваясь в объёме, клей растягивает проволоку, ухудшает сцепление между решёткой и клеем, а, следовательно, и поверхность конструкции.

Средства изоляции парафиновазелиновая смесь (смешивается приt0=70…800C), воск и восковые смеси.  Для тензорезисторов, наклееваемых на арматуру, закладные детали и т.п. с последующим бетонированием, применяют карбинольно-цементную смесь (карбинольный клей + 20...25 % тонкомолотого портландцемента) и эпоксидно-цементную смесь (100 в.ч. эпоксидной смолы + 50...60 в.ч. портландцемента).

Схемы измерений изменения сопротивления тензорезисторов.

Изменение сопротивления тензорезисторов при незначительных деформациях конструкции составляет тысячные доли Ома.  Сопротивления такого порядка можно измерить с высокой точностью лишь электрическими цепями мостового типа.  Чаще всего для этой цели используют мост Уитстона.  Он представляет собой 4 сопротивления, соединённых в виде замкнутой мостовой цепи.  К одной из диагоналей подключён источник питания, в другую (измерительную) диагональ включён гальванометр.  Мост считается сбалансированным, когда ток в диагонали АС равен 0, а это возможно, если при разветвлении тока в т. В падение напряжения на плече ВС равно падению напряжения на плече ВА, т.е.J1R1=J2R3, и когда равны падения напряжения на сопротивленияхR2 иR4, т.е.J1R2=J2R4. Разделив первое уравнение на второе, получимR1/R2=R3/R4 илиR1·R4=R2·R3.  Т.е. мост сбалансирован, когда произведения сопротивлений противоположных плеч равны.

ЕслиR1 тензорезистор на конструкции, и при деформировании её сопротивлениеR1 изменилось наR1, то баланс может нарушится.  Такой метод определения изменения сопротивления одного из плеч моста путём регистрации тока в измерительной диагонали (расчёты показывают, что изменение сопротивленияR1прямо пропорционально изменению тока в измерительной диагонали) называютсяметодом непосредственного отчёта илиметодом отклонения.

Если в мостовую схему ввести дополнительную деталь реохорд, то балансировку моста можно производить передвижением движка реохорда.  Если рядом с реохордной проволокой поместить линейную шкалу, то определённой величине относительного изменения сопротивленияR1 будет соответствовать определённое перемещение движка реохорда.  Определение относительного изменения сопротивления плеча моста, при котором регистрации показаний всякий раз предшествует балансировка моста, называетсянулевым методом.

Для исключения температурных погрешностей тензорезисторов используетсятермокомпенсация.R2 тензорезистор, по всем параметрам идентичныйR1(активному), приклеивается к небольшому образцу из того же материала, что и конструкция, и помещается в одинаковые с ней температурные условия.  В этом случае изменение температуры вызовет одинаковое изменение сопротивления активного (R1) и компенсационного (R2) тензорезисторов, а так как они включены в смежные плечи, баланс моста при этом не нарушится.

Испытание строительных конструкций требует постановки большого количества активных тензорезисторов.  Поэтому к мосту поочерёдно присоединяют активные и соответствующие компенсационные (чаще всего один ) тензорезисторы.

Применение гальванометра в электротехнике затруднительно.  Чтобы вместо него применить микроамперметр, напряжение в цепях необходимо усилить. Стабильный же усилитель постоянного тока является сложным и дорогим прибором.  Поэтому современная тензорезистивная аппаратура питается переменным током.  При этом схемы очень усложняются, но принцип работы (нулевой метод) остаётся прежним.  Есть приборы с ручной балансировкой (следящим уравновешиванием - ИД-2 62 ИСД-2 3 и др.) и автоматической балансировкой (программным уравновешиванием) моста.

Усиленный по напряжению и мощности сигнал подаётся в несложных автоматических приборах  (АИД-1М; 2М; 4) на исполнительный реверсивный (работающий в двух направлениях) электродвигатель, который связан с движком реохорда кинематически и перемещает его в направлении компенсации сигнала разбаланса.Автоматическая балансировка в 10 раз по сравнению с ручной сокращает время получения отсчёта.  В более сложных приборах автоматический коммутатор способен поочерёдно подключить к мосту 99 активных и 9 компенсационных тензорезисторов.

Блок-схема приборас программным уравновешиванием:

Вместо реохорда на приборе имеется блок шунтирующих резисторовRш(1...n), каждый из которых может быть включен в мостовую цепь ( как добавка кR3) с помощью управляемых реле П(1...n).

Пусть мост сбалансирован, цепь моста замкнута через какое-то реле Пi и резисторRшi в приборе имеется реле блока индикации (цифротроны неоновые индикаторные лампы, позволяющие снять отсчёт визуально), через которое отсчёт, соответствующий данному сопротивлениюR1 ( иRшi), поступил на цифротроны.

После деформации сопротивлениеR1 изменится наR1, мост расбалансируется усилитель (У) усилит возникающий сигнал, и нуль-орган (НО) перешлёт его в блок управления реле (УР), сразу отключив резисторRшi а блок УР выискивает из всех шунтирующих резисторов (шаговым способом) тот единственный, который позволит вновь уравновесить мост.  Новому сопротивлениюR1R1Rш какому-то) будет соответствовать новый отсчёт на цифротронах (это долго описывается, а происходит практически мгновенно в течении 0,05 с ).

По этому принципу работают цифровые тензометрические мосты ИДЦ, ЦТМ-3; 5; 7, СИИТ.  Блок коммутации на 100 каналов.  На цифротронах высвечивается номер канала и результат измерения.  Время одного измерения 0,05 с.  Цифропечать унифицированный ленточный перфоратор и бумажная лента. Возможна стыковка с  компьютером.  В этом случае информация будет не только цифровая, но и в виде графиков, и по каждому тензорезистору.

Структурные тензорезисторы струнные тензометры.

Работа структурных тензометров основана на зависимости частоты собственных колебаний натянутой струныf от напряжения в ней:

,

гдеl длина струны (база)р плотность материала струны.

При деформации конструкции напряжение струны тензометра меняется на =  =, тогда относительная деформация

=/Е = ,

гдеf1 иf2 частоты до и после приложения нагрузки.  Определение частот производится с помощью электромагнита и регистрирующего устройства:

1 - цилиндрический корпус

2 - стальная струна

3 - электромагнит

4 - анкерные диски корпуса.

Режим  1 (возбуждения колебаний) к 3 подводится импульс электрического тока струна притягивается и отпускается возбуждаются свободные колебания.

Режим 2 (регистрацияf) 3 переключается и работает как индукционный преобразователь колеблющаяся струна индуцирует в катушках электрический ток той же частоты, что и частота колебаний.

2.10. Приборы для измерения натяжения арматуры

Применяются следующие методы контроля напряжений в арматуре:

  1. динамометрирование концевого усилия;
  2. по удлинению арматуры;
  3. поперечной оттяжкой стержней;
  4. по частоте свободных поперечных колебаний.

Динамометрирование концевого усилия производится по показаниям манометра насосной станции, приводящей в работу домкрат, по показаниям динамометров, установленных между домкратом и неподвижной траверсой. Напряжение равно частному от деления измеренного усилия на суммарную площадь напрягаемой арматуры.

Контроль по удлинению арматурыосуществляется измерением линейного удлинения стержня на всей его длине или на какой-то базе; по закону Гука по измеренному относительному удлинению арматуры определяют напряжение. Приборы для измерения линейного удлинения - тензометры, относительного удлинения - тензорезисторы.

Поперечная оттяжка осуществляется на всей длине стержня (или проволоки) или на какой-то базе накладными динамометрами. В основе их действия лежит зависимость между усилием в стержнеN, поперечной силойQ, приложенной к стержню, и его прогибомf:N =QL/(4f), гдеL - свободная длина стержня (вся или в пределах базы). Динамометры с собственной базой измерений - ДП-6, ДП-500, ДПС-2, ПРД-У, ПИН, ДН, ДИС-1 и др., не имеющие её - ПН-1,ПРД-1, ПРД-6. Место установки прибора с собственной базой - произвольное по длине стержня, без базы - точно в середине пролета (допускаемое смещение не должно превышать 2 % длины стержня).

Частотный метод.

Частота собственных колебаний зависит от силы натяжения, расстояния между точками закрепления и диаметра стержня. Колебания возбуждают ударом по стержню в середине пролета или щипком также в середине пролета. Через определенное время (после затухания высоких форм) измеряют частоту колебаний. Приборы - ИНА-3, ИНА-5П, ИПН-6, ИПН-7, АП-12, ЭСИН-1Д. Например, прибор ИПН имеет выносной индукционный датчик, который преобразует колебание арматуры в напряжение той же частоты; рабочую плоскость датчика ориентируют в сторону арматуры и в течение 10...20 с держат его на расстоянии 0,5...2 см от неё; напряжение равно 0,319*10-7L2n2, МПа,  гдеn - число колебаний в 1 с по показанию счетчика. ИПН-6 работает только от сети, ИПН-7 имеет и автономное питание.

2.11. Испытания проб-образцов  материалов, отобранных из конструкций

При использовании метода отбора проб из конструкций (с. 13, 14, 19, 20) проводят стандартизированные лабораторные испытания образцов материалов.

Марку полнотелого и пустотелого глиняного обыкновенного и силикатного кирпичаопределяют в таком порядке.

Отбирают из кладки пять кирпичей, очищают их, распиливают поперёк на две равные части. Складывают половинки по постелям распилами в разные стороны, предварительно покрыв одну из постелей цементным тестом слоем не более 5 мм (портландцемент марки 200). Этим же цементным тестом покрывают верхнюю и нижнюю поверхности кирпича, предварительно смочив их водой. После выравнивания слоя цементного теста покрывают его листом влажной бумаги и накрывают стеклом, немного прижимая руками. Подготовленные образцы выдерживают при комнатной температуре в течение 3-4 дней.

Определяют прочность на сжатие на гидравлическом прессе как среднее арифметическое из пяти испытаний. Умножают её и наименьший результат испытаний на 1,2.

Определяют прочность на изгиб, для чего отбирают из кладки пробу также из пяти кирпичей, очищают их. На каждом кирпиче наносят цементным тестом по три полоски шириной 2…3 см: одну посередине на верхней постели, две других – на нижней постели на расстоянии 25 мм от торцов. Затем кирпичи выдерживают при комнатной температуре 3-4 дня.

Кирпич устанавливают на две опоры из металлических стержней диаметром 20…30 мм и прикладывают нагрузку также через стержень, установленный на полоску посередине.

Вычисляют предел прочности при изгибе по формуле

Rизг = 3Pl / (2bh2),

гдеP -разрушающая сила, Н;

l - длина пролёта между опорами, 20 см;

b  - ширина кирпича, см;

h - толщина кирпича, см.

Марку кирпича определяют по таблице:

Марка кирпича

Предел прочности, МПа, не менее

На сжатие

На изгиб

Средний для пяти «двоек», умнож. на 1,2

Наименьший для одной «двойки», умнож. на 1,2

Средний для пяти образцов

Наименьший для одного образца

200

150

125

100

75

20

15

12,5

10

7,5

15

12,5

10

7,5

5

3,4

2,8

2,5

2,2

1,8

1,7

1,4

1,2

1,1

0,9

Прочностьбетонаконструкций методом отбора проб определяют таким образом.

Выпиливанием (или высверливанием) отбирают из конструкции образцы-кубы (или цилиндры).

Если при реконструкции здания или сооружения производят бетонные работы, то от каждого замеса отбирают по три серий кубов, в каждой из которых не менее 3-х образцов (т.е. не менее 9 кубов).

Определяют прочность на сжатие на гидравлическом прессе как среднее арифметическое всех испытаний.

Для повышения точности испытания мощность пресса выбирают так, чтобы ожидаемое разрушающее усилие на образец составляло не менее 10 % от предельного усилия пресса (т.е. чтобы заставить пресс работать в как можно более широком диапазоне).

Образец-куб устанавливают на пресс теми гранями, которые при бетонировании являлись боковыми; извлечённый из конструкции куб устанавливают на пресс любыми гранями; нагрузку подают непрерывно и равномерно со скоростью 0,6 МПа/с.

Предел прочности кубов с ребром, отличным от 15 см, приводят к прочности эталонного куба умножением на переводные (масштабные) коэффициенты (см. с. 19). Переводные коэффициенты к прочности эталонного куба установлены и для цилиндров различных диаметров (см. с. 19).

Размеры образцов определяют штангенциркулем с точностью до 0,01мм, массу образцов - с точностью до 0,5 г.

Как перейти от кубиковой прочности к классу бетона, показано на с. 34.

Призменную прочность определяют на образцах с размерами 10х10х40 см, 15х15х60 см и 20х20х80 см (в зависимости от крупности зерен). Перед испытанием на боковые грани устанавливают индикаторы на базе, тензометры или тензорезисторы. Должен осуществляться контроль равенства деформаций граней (в пределах 2...3х10-5 до нагрузок, составляющих 10...20 % ожидаемой разрушающей.

На этих же образцах определяют начальный модуль упругости бетона путё нагружения равными ступенями по 10 % ожидаемой разрушающей. После каждой ступени дается выдержка 5...6 мин, в начале и в конце которой берут отсчеты по приборам.Е = при напряжениях, равных 0,2Rb.

Определение предела прочности бетона при растяжении производится испытанием на изгиб бетонных образцов-балочек с размерами, как у призм (10х10х40 см при крупности заполнителя до 20 мм, 15х15х60 см - эталонный, при крупности заполнителя до 40 мм, 20х20х80 см - при крупности заполнителя до 70 мм).

Испытывают балочки по схеме чистого изгиба (с нагружением в третях пролета, пролет - 30, 45 или 60 см) с использованием жесткой верхней траверсы с двумя цилиндрическими опорами. Скорость нагружения 0,05±0,02 МПа/с.

Если в третях пролетаL/3 прикладываются две силы поР/2, то предел прочности можно определить по формуле

или по формуле

;

коэффициентом  «а»  учитываются пластические деформации бетона растянутой зоны,а = 1,7.

Существует стандартный способ определения прочности бетона при растяжении и путём сжатия-раскалывания образцов-кубиков и цилиндров.

Если при реконструкции здания или сооружения производят бетонирование массивных конструкций, то для определения прочностных характеристик бетона не обязательно отбирать образцы от замесов, а можно воспользоваться двумя методами, предложенными И.В. Вольфом.

1. При формовании бетонной смеси в неё погружают бездонные металлические цилиндры, смазанные машинным маслом. После затвердения бетона цилиндры вынимают, а образовавшиеся

бетонные «пеньки», соединенные с окружающим бетоном лишь своим основанием, отрывают специальными клещами, снабженными динамометром (для фиксирования усилия отрыва). Установлена эмпирическая зависимость: прочность бетонаR =f  (усилия отрыва).

2. При формовании бетонной смеси в неё погружают несколько металлических цилиндров (один над другим, на требуемую глубину), боковые поверхности которых испещрены отверстиями

в шахматном порядке и имеющими дно; в дно самого верхнего цилиндра вворачивается стержень, пропускаемый внутри трубки, расположенной  по оси цилиндра. Бетон, заполняя цилиндры, затвердевает в отверстиях. По этим отверстиям и происходит срез бетона при последовательном выдергивании цилиндров, начиная с верхнего, с замером усилия среза. Установлена эмпирическая зависимость: прочность бетонаR =f  (усилия среза). Эти же образцы, взятые из конструкции, могут быть испытаны на сжатие на гидравлическом прессе.

2.12. Метрологические требования к средствам измерений

(необходимые определения)

Метрология - это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Средства измерений -это технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормативные метрологические характеристики.

Поверка средств измерений -определение метрологическими органами погрешностей средств измерений и установление их пригодности к применению.

Метрологическая аттестация средств измерений - исследование средств измерений, выполняемое метрологическими органами для определения метрологических свойств этих средств измерений, и выдача документа с указанием полученных данных.

Измерение - процесс нахождения какой-либо физической величины с помощью технических средств и сравнения её с эталоном.

При обследовании конструкций могут измеряться прогиб, размеры сечений, длина или пролет конструкции, ширина раскрытия и глубина трещин,  диаметр арматуры, толщина её защитного слоя, плотность, прочность, водонепроницаемость, теплопроводность, влажность материалов и другие величины, характеризующие физико-механические свойства и структуру материалов, геометрические размеры конструкций, точность их сборки и монтажа.

При испытании конструкций кроме многих из уже перечисленных могут подлежать измерению также линейные фибровые деформации материалов, углы поворота сечений, контролироваться значения прикладываемых испытательных нагрузок и другие величины.

Большое количество величин приходится измерять при изготовлении строительных материалов, конструкций и деталей, при производстве большинства видов строительно-монтажных работ.

Измерения физических величин, которые можно провести непосредственно, называютсяпрямыми(так можно измерить перемещение, скорость, деформацию и др.).

Но есть ряд величин, которые измерить непосредственно нельзя, они условны (например, напряжение, жесткость и др.). Их можно установить лишь с помощьюкосвенныхизмерений (например, напряжение определяют по деформации, используя в упругой стадии работы материала закон Гука, в пластической стадии - функциональную зависимость). Достоверность результата косвенных измерений зависит не только от инструментальной погрешности (см. ниже), но и от методической (в какой степени справедлива функциональная зависимость).

Косвенными являются, например, все неразрушающие методы контроля (измеряется не само контролируемое свойство, например, прочность бетона, величина защитного слоя арматуры и т.д., а какой-то косвенный показатель - скорость ультразвука, степень ослабления ионизирующего потока и др.).

Параметры измерения:

- погрешность-разность между истинными и измеренными значениями величин;

-точность-степень приближения результатов измерений к истинному значению;

-достоверность- вероятность отклонения измерения от истинного значения;

-диапазон измерения- область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средств измерений;

-цена деления шкалы- разность значений величины, соответствующая двум соседним отметкам шкалы;

-предел измерений- наибольшее и наименьшее значения диапазона измерения;

-чувствительность измерительного прибора- отношение изменения сигнала на выходе измерительного прибора к вызвавшему его изменению измеряемой величины.

Классы измерений:

- особо точные (эталонные);

- высокоточные (градуировка измерительных систем);

          - технические (применяются при испытаниях).

Никакое измерение с помощью технического средства не может быть выполнено абсолютно точно, так как любой измерительный прибор или преобразователь обладают какими-то конструктивными допусками, сказывается и погрешность градуировки. Это -инструментальная погрешность.

Методические погрешностивозникают от того, что прибор неправильно воспринимает или искажает измеряемую величину (примеры: несоответствие базы прибора задачам эксперимента; струнный тензометр внутри твердого тела сам вносит искажение в исследуемое напряженное состояние).

Погрешность  прибора, возникающая при нормальных условиях эксплуатации или аттестации (t = 200С иW = 60 %) называетсяосновной.

Погрешности, возникающие приt , отличной от 20оС, иW, отличной от 60 %, а также от других помех, называютсядополнительными.

Как основная, так и дополнительная погрешности (каждая из них) включает в себя:

-случайную составляющую (случайнуюпогрешность);

-систематическуюсоставляющую  (систематическуюпогрешность).

Погрешность являетсяслучайной,  если её значения различны даже в результате измерений, выполненных одинаковым образом. Для уменьшения влияния случайных погрешностей увеличивают число измерений, дублируют показания приборов.

Систематические погрешности - это такие погрешности, которые остаются постоянными или изменяются по определённому закону при многократном повторении одних и тех же измерений. Любое округление чисел, например, является систематической погрешностью. Причины, вызывающие систематические погрешности, обычно известны, поэтому такие погрешности могут быть уменьшены или вовсе исключены за счет применения более чувствительных приборов, учета влияния какого-то фактора и т.п. Уменьшить же систематическую погрешность увеличением числа измерений невозможно.

Промахами  являются грубые ошибки по вине экспериментатора. При обработке результатов измерений промахи исключают. Один из методов выявления промахов при ограниченном числе измерений основан на вычислениикритерия Романовского В.И. По заданной вероятности Р (Р = 0,95; 0,99; 0,995) в зависимости от числа измеренийn  по таблице сначала определяют коэффициентt/(Стьюдента). Значения этого коэффициента приведены в таблице:

f = n - 1

P = 0,95

Р = 0,99

Р = 0,995

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

15,56

4,97

3,56

3,04

2,78

2,62

2,51

2,47

2,37

2,29

2,24

2,2

2,17

2,15

1,96

77,96

11,46

6,53

5,04

4,36

3,96

3,71

3,54

3,41

3,23

3,12

3,04

3

2,93

2,58

779,7

36,5

14,46

9,43

7,41

6,37

5,73

5,31

5,01

4,62

4,37

4,2

4,07

3,98

3,29

Затем выполняют следующие операции:

1. Результаты измерения записывают в отдельную таблицу.

2. Определяют среднее арифметическое значение величиныx/.

3. Находят погрешности отдельных измерений

xi =xi-x/.

4. Вычисляют квадраты погрешностей отдельных измерений

                                    (xi)2.

5. Определяют среднее квадратичное  отклонение

6. Если окажется, что х/ - хmax >St/ , то хmax   считают промахом и исключают из ряда наблюдений. Вновь выполняют п. 2, 3, 4 (уже исключив промах). Вновь выполняют п. 5 (уже при меньшем значенииn).

7. Находят погрешность измерений

t/

и границы доверительного интервала

                                х = х/х.

8. Определяют относительную погрешность (в %)

                               ,

характеризующую точность измерений.

9. Сравнивают погрешность измеренийх с величиной погрешности прибора  (или   с условной границей допустимой относительной погрешностиу , например 5 %). Если точность измерения недостаточна, приходят к выводу о необходимости увеличения числа измерений.

2.13. Обработка результатов испытаний

После окончания испытаний проводят камеральную обработку показаний приборов.

Цель камеральной обработки – получить информацию о характере деформирования конструкций в процессе нагружения. Для этого в табличной и графической формах обрабатываются данные по всем установленным на испытываемой конструкции приборам, составляются сводные карты трещинообразования (см. с. 44). Эти результаты сравнивают с теоретическими.

По результатам испытаний составляют отчёт, в котором излагают задачи испытаний, состояние конструкций и материалов до и после испытаний, результаты измерений, выводы.




Похожие работы, которые могут быть Вам интерестны.

1. ОБСЛЕДОВАНИЕ И ИСПЫТАНИЕ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

2. Примыкание сооружений к существующим зданиям. Причины развития дополнительных осадок здания при возведении возле них зданий и сооружений. Проектирование вблизи существующих зданий

3. ОЦЕНКА НАДЁЖНОСТИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ С УЧЁТОМ ФИЗИЧЕСКОГО ИЗНОСА

4. Строительство зданий и сооружений с использованием новейших конструкций из стекла

5. Современные тенденции развития технологий гидроизоляции зданий и сооружений

6. Исследование особенностей правового регулирования договоров аренды зданий и сооружений

7. Предельные состояния оснований и сооружений. Подразделение зданий по жесткости. Причины развития неравномерных осадок фундаментов мелкого заложения

8. Договор аренды зданий и сооружений как разновидность договора аренды

9. Испытание электрооборудования автомобилей и тракторов

10. Фармакопейный анализ; испытание на подлинность (идентификация) и окислительно-восстановительные реакции