Метод пластических деформаций

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Обоснование и выбор, схемы загружения конструкций и сооружений

2. Определение опорных изгибающих моментов в балках

3. Механические методы испытаний. Метод пластических деформаций

4. Время затухания колебаний

Литература

опорный балка деформация



1. Обоснование и выбор, схемы загружения конструкций и сооружений

При проведении статических испытаний нагрузка прикладывается на определенных участках, чтобы можно было получить самое невыгодное сочетание усилий (усилия во всех элементах конструкции должны быть близки к расчетным, принимаемым по огибающим эпюрам); нагрузка возрастает постепенно и выдерживается некоторое время после очередного этапа нагружения для затухания неупругих деформаций и обеспечения возможности снятия отсчетов с приборов, а также изучения состояния конструкции или сооружения.

При испытаниях опытных объектов, передача которых в эксплуатацию не предусматривается, максимум нагрузки назначается в зависимости от поставленной задачи. Если целью испытания является определение несущей способности или исследование условий появления местных повреждений (трещин, сколов и т. п.), то значения максимальной нагрузки уточняют непосредственно в процессе эксперимента. Однако до начала испытания этот максимум должен быть оценен ориентировочно для подсчета требуемой нагрузки, которая берется с запасом во избежание задержек в ходе испытания из-за ее недостаточности.

Если конструкции после испытания передаются в эксплуатацию, то испытание не должно ухудшать их состояния. Это значит, что в процессе приложения и выдерживания нагрузки в испытываемом объекте не следует допускать развития остаточных деформаций и тем более нарушения сплошности. Поэтому максимальная испытательная нагрузка не должна превышать нормативную нагрузку в наиневыгоднейшем ее положении, за исключением тех случаев, когда такое превышение предусмотрено техническими условиями.

При назначении ступеней загрузки и разгрузки исходят из следующих соображений: с одной стороны, чем меньше каждая ступень, тем чаще в процессе нагружения могут быть взяты отсчеты по приборам, и графики исследуемых характеристик строятся, следовательно, правильнее (по большему числу точек); это особенно существенно при наличии нелинейной зависимости между нагрузкой и исследуемой характеристикой; с другой стороны, с уменьшением ступеней нагрузки возрастает их общее число, что делает процесс испытания более длительным и трудоемким. В каждом конкретном случае следует находить оптимальное решение, учитывая эти соображения. Так, например, для испытаний железобетонных изделий серийного изготовления рекомендуется: при проверке прочности применять ступени («доли») нагрузки, не превышающие 10 % ее контрольного (то есть максимального) значения, а при проверке жесткости -- 20 % соответствующей контрольной; при проверке трещиностойкости после приложения нагрузки, равной 90 % соответствующей контрольной, каждую последующую долю загружения, вплоть до момента появления трещин, следует принимать не более 5 % контрольной.

Для облегчения обработки результатов испытаний последовательные ступени нагрузки должны быть по возможности одинаковыми. Начальную ступень нагружения рекомендуется брать небольшой (не более 10 % ожидаемой максимальной нагрузки), поскольку в начале приложения усилий часть их идет на обмятие прокладок в опорах и под нагрузочными приспособлениями, обтяжку тяг и т. д. Для уменьшения этих потерь прибегают к повторным приложениям и снятиям начальной ступени нагружения. Такие повторные нагрузки полезны также и для проверки возвращения «на нуль» показаний установленных приборов. При использовании подвижной нагрузки для той же цели делают пробные обкатки.

Ступени разгрузки лучше брать такими же, как и ступени нагружения. Этим существенно облегчается сравнение «прямых» и «обратных» ходов показаний приборов. Для ускорения испытаний нередко приходится прибегать к сокращению числа ступеней разгрузки. Их следует тогда брать кратными ступеням нагружения, с тем чтобы совпадение соответствующих точек прямого и обратного ходов все же сохранялось.

При повторных (циклических) загружениях нагрузку после каждого цикла следует не снимать полностью, а доводить до уровня первой (начальной) ступени. Этим обеспечивается необходимая равномерность испытаний, поскольку все загрузочные устройства остаются включенными. Кроме того, при полной разгрузке не исключена возможность небольших перекосов и смещений нагрузочных устройств, что затрудняет сопоставление получаемых результатов. После приложения нагрузки при испытании металлических конструкций нагрузка обычно выдерживается 15--30 мин, железобетонных -- около 12 ч, деревянных -- от 24 ч до нескольких суток. Если перемещения и деформации при постоянной нагрузке в указанные выше сроки не затухают, то время ее выдерживания удлиняется. Если деформации и перемещения и в этом случае не затухают, то испытываемый объект признается негодным для эксплуатации в заданных условиях.

После приложения 80 % расчетной нагрузки необходимо снять приборы, которые могут быть повреждены при разрушении конструкции (это не касается научно-исследовательских испытаний, когда параметры напряженного состояния исследуются вплоть до исчерпания прочности).

Выбор схемы загружения.

Плиты при испытаниях загружаются в зависимости от граничных условий. При испытании разрезной (статически определимой) плиты загружается только испытуемая плита в пределах заданного пролета. Причем, по длине плита загружается на величину полтора пролета в обе стороны от исследуемого сечения, т.е. на длину трех пролетов.

При неразрезной схеме многопролетной плиты нагрузку располагают на испытуемом пролете АВ, а также по обе стороны от испытуемого участка через пролет (рисунок 1,а). В неразрезных конструкциях (статистически неопределимых) происходит значительное перераспределение усилий.

При этом пролетные моменты уменьшаются, а схема деформации такова, что загружение пролета разгружает соседние. Поэтому при испытаниях загружают не соседние, а через пролет. С другой стороны, наибольший изгибающий момент в реальных неразрезных плитах при равномерном их загружении возникает в крайнем пролете. Поэтому целесообразно испытать плиту крайнего пролета, загрузив искомый пролет АВ и еще один через пролет (рисунок 1, б).

Балки испытываются в зависимости от граничных условий и гибкости по нескольким схемам загружения. Рассмотрим однопролетную балку, которую можно считать жесткой по сравнению с заполнителем (плитами) между балками. Если заполнитель между балками разрезной конструкции, т.е. свободно опертые плиты, то достаточно загрузить два пролета вдоль испытуемой балки АВ (рисунок 2,а). Если конструкция заполнителя неразрезная, то необходимо догрузить еще два пролета в обе стороны от балки АВ через пролет (рисунок 2, б).

При гибких балках и жесткой плите целесообразно загружать по три пролета плит с двух сторон от испытуемой балки (рисунок 2, в). В этом случае плиты работают совместно и прогиб любой из них вызывает деформацию прилегающей плиты, т.к. балки гибкие.

Многопролетные разрезные балки загружаются на тех участках, в которых требуется определить деформацию. Например, если требуется определить прогиб в пролете, то загружается только пролет (вдоль балки). В поперечном направлении загружение будет по схемам (рисунок 2).

При испытании многопролетных неразрезных балок выбор схемы загружения определяется устройством опор. Так для неразрезной балки АВСД, опирающейся на прогоны, загружается два прилегающих участка в пролете, где определяется прогиб и догружается еще два участка - через пролет в обе стороны (рисунок 3) от искомого АВ. Кроме того, загружается пролет СД. Производят необходимые замеры. После этого догружаются два свободных пролета против испытуемой балки АВ. В случае если балка опирается на колонны, то загружение производят - только против испытуемого участка, например GH в балке EFGH. Причем загружение производится, в той же последовательности как было для участка АВ. Только в этом случае не догружаем пролет EF (рисунок 3).

Арки и своды загружают как по симметричной, так и по односторонней схеме для получения наибольшей деформации разного знака в различных участках конструкций.При испытании загружают половину арки (рисунок 4, а) и выдерживают конструкцию до тех пор, пока деформации не перестанут расти. Делают необходимые замеры и загружают вторую половину арки (рисунок 4, б). После выдержки вновь производят замер. Затем снимают нагрузку с той части, которая загружалась первой (рисунок 4, в). После снятия замеров нагрузку убирают. В разгруженном состоянии арки выдерживают и так же производят замеры.

При испытаниях тонкостенных арок и сводов дополнительно производят испытание на симметричное загружение центральной части на величину одной трети пролета.

Фермы могут воспринимать нагрузку по верхнему и нижнему поясу. При этом загружение производится по двум схемам. При испытании стержней поясов ферма загружается по всему пролету. При испытании стержней решетки схема загружения зависит от очертания поясов фермы. Если пересечение верхнего и нижнего поясов лежит в пределах фермы, то загружение будет также по всему пролету. Если же пояса пересекаются за пределами фермы, то загружение происходит в три этапа, и на каждом этапе производятся замеры, т.е. также как при испытании арок (рисунок 4).

2. Определение опорных изгибающих моментов в балках

Балка, с точки зрения строительной механики, это силовой элемент, способный воспринимать поперечную силу и изгибающий момент. Балки, применяемые в конструкции СЛА, должны удовлетворять заданным требованиям прочности и жесткости при наименьшей их массе. Основным силовым фактором, оказывающим наибольшее влияние на массу балки, является изгибающий момент. Он воспринимается в основном верхними и нижними, наиболее удаленными от оси сечениями балки, в то время как сечения, расположенные вблизи оси жесткости, остаются практически незагруженными.

Исходя из этого, целесообразно выбирать для балок такие профили, у которых основная масса материала конструкции расположена вдали от оси сечения. Поперечные сечения балок, наиболее часто используемых на СЛА, показаны на рис. 5. Как видно из рисунка, все балки имеют верхнюю и нижнюю полки, соединенные между собой стенками. Исключение составляет трубчатый профиль (puc.5, е), роль полок которого выполняют верхний и нижний своды. Трубчатые балки имеют большую массу по сравнению с другими типами балок, рассчитанными на одну и ту же нагрузку, и используются в тех случаях, когда кроме поперечной силы и изгибающего момента действует и крутящий момент, Крутящий момент может восприниматься балками сечений, имеющими замкнутые контуры (рис.5, а, б, в). Эти сечения используются обычно в высоконагруженных балках, например в качестве основного лонжерона крыла. Широкое применение в качестве лонжерона крыла находят и балки с незамкнутым сечением (рис. 5, д, е, ж, з), в этом случае крутящий момент воспринимается контуром, образованным носком крыла и стенкой лонжерона.



Рис. 5 Сечения балок, используемых на СЛА

Все высоконагруженные балки обязательно должны рассчитываться на изгибающий момент и поперечную силу.

Рассчитать балку-это значит:

выявить все действующие на нее силовые факторы

выбрать наиболее тяжелый (расчетный) случай нагружения

перейти от реальной конструкции к ее расчетной схеме

определить реакции опор

построить эпюры поперечной силы и изгибающего момента

рассчитать сечения элементов балки

Для балок постоянного сечения эпюры нагрузок можно не строить, а лишь определить их максимальные значения, воспользовавшись формулами, приведенными в табл.1.



Таблица 1 Максимальные значения поперечных сил и изгибающих моментов балок при различных видах их нагружения

Для определения опорной реакции балки, свободно лежащей на обеих опорах, берут сумму моментов от всех нагрузок, действующих на данную балку, относительно второй опоры, и делят эту сумму моментов на длину пролета. Реакцию на другой опоре возможно, определить так же, как разность между суммой всей нагрузки в пролете и ранее вычисленной реакцией на первой опоре. Для вычисления моментов от сплошной нагрузки, распределенной равномерно на участке длины пролета или в виде треугольника, трапеции и т. п., последняя заменяется равной по величине сосредоточенной силой, приложенной в центре тяжести заменяемой сплошной нагрузки.

Для определения изгибающего момента в каком-либо сечении балки необходимо вычислить относительно этого сечения сумму моментов всех сил, расположенных на балке справа или слева от рассматриваемого сечения. Для определения перерезывающей силы в каком-либо сечении балки необходимо взять сумму проекций всех сил, расположенных справа или слева от рассматриваемого сечения, на ось, перпендикулярную балке в данном сечении. Для того, чтобы произвести расчет балки на изгиб, необходимо знать величину наибольшего изгибающего момента М и положение сечения, в котором он возникает. Точно также, надо знать и наибольшую поперечную силу Q. Для этой цели строят эпюры изгибающих моментов и поперечных сил. По эпюрам легко судить о том, где будет максимальное значение момента или поперечной силы. Перед тем, как определять внутренние усилия (поперечные силы и изгибающие моменты) и строить эпюры, как правило, надо найти опорные реакции, возникающие в закреплении стержня. Если опорные реакции и внутренние усилия можно найти из уравнений статики, то конструкция называется статически определимой. Чаще всего мы встречаемся с тремя видами опорных закреплений стержней: жестким защемлением (заделкой), шарнирно-неподвижной опорой и шарнирно-подвижной опорой. На рис. 6 показаны эти закрепления. Для неподвижной (рис 6,б) и подвижной (рис. 6,в) опор приведены два эквивалентных обозначения этих закреплений. Напомним, что при действии нагрузки в одной плоскости в заделке возникают три опорных реакции (вертикальная, горизонтальная реакции и сосредоточенный реактивный момент) (рис. 6,а); в шарнирно-неподвижной опоре - две реактивные силы; в шарнирно-подвижной опоре - одна реакция - сила, перпендикулярная плоскости опирания (рис.6,в).



Рис. 6 Опорные реакции: а - в заделке; б - в шарнирно-неподвижной опоре; в - в шарнирно-подвижной опоре

Комбинируя различные типы закреплений, можно получить ряд схем балок:

1. Балка шарнирно опертая по концам (рис.7,а). Одна опора шарнирно подвижная, другая - шарнирно неподвижная. Расстояние между центрами опор на схеме называется пролетом. Число реакций равно трем. Учитывая, что для плоской системы сил можно составить три независимых уравнения равновесия системы в целом, приходим к заключению, что балка статически определимая.

2. Балка шарнирно опертая с консолями (С1 и С2) (рис.7,б). Реакции те же. Балка статически определимая.

3. Балка жестко закрепленная одним концом (консольная балка) (рис.7,в). В заделке три реакции. Балка статически определимая. При действии нагрузки перпендикулярной оси реакция НВ всегда равна 0.



Рис. 7

После определения опорных реакций внутренние усилия в статически определимых конструкциях определяем с помощью метода сечений.

Как было сказано выше, при плоском поперечном изгибе в балке возникают два внутренних усилия: поперечная сила Q и изгибающий момент M. В соответствии с методом сечений поперечную силу можно найти как сумму проекций всех внешних сил, взятых с одной стороны от сечения, на ось, перпендикулярную оси стержня (ось z). Изгибающий момент равен сумме моментов всех внешних сил, взятых с одной стороны от сечения, относительно оси, проходящей через центр тяжести рассматриваемого сечения (оси y).

Для того чтобы можно было вести расчет с любого конца балки, необходимо принять правило знаков для внутренних силовых факторов.



а)

б)

Рис.8 а) - правило знаков для поперечной силы Q; б) - правило знаков для изгибающего момента M

Если внешняя сила вращает отрезанную часть балки по часовой стрелке, то сила является положительной, если внешняя сила вращает отрезанную часть балки против хода часовой стрелки, то сила является отрицательной.

Если под действием внешней силы изогнутая ось балки принимает вид вогнутой чаши, такой, что идущий сверху дождь будет наполнять ее водой, то изгибающий момент является положительным. Если под действием внешней силы изогнутая ось балки принимает вид выпуклой чаши, такой, что идущий сверху дождь не будет наполнять ее водой, то изгибающий момент является отрицательным.

Достаточно очевидно и подтверждается опытом, что балка при изгибе деформируется таким образом, что волокна, расположенные в выпуклой части, растягиваются, а в вогнутой - сжимаются.

Между ними лежит слой волокон, который лишь искривляется, не изменяя своей первоначальной длины (рис.9). Этот слой называется нейтральным или нулевым, а его след на плоскости поперечного сечения - нейтральной (нулевой) линией или осью.

Рис. 9

При построении эпюр Q и М договоримся на эпюре Q положительные значения откладывать сверху нулевой линии. На эпюре М у строителей принято откладывать положительные ординаты снизу. Такое правило построения эпюры М называется построением эпюры со стороны растянутых волокон, т. е. положительные значения М откладываются в сторону выпуклости изогнутой балки.

Рассмотрим для простоты балку с прямоугольным поперечным сечением (рис.10). Следуя методу сечений, мысленно проведем разрез и отбросим какую-либо часть балки, а другую оставим. На оставшейся части покажем действующие на нее силы и в поперечном сечении - внутренние силовые факторы, которые являются результатом приведения к центру сечения сил, действующих на отброшенную часть. Учитывая, что внешние силы и распределенные нагрузки лежат в одной плоскости и действуют перпендикулярно оси балки, в сечении получим поперечную силу и изгибающий момент . Эти внутренние силовые факторы заранее неизвестны, поэтому их показывают в положительном направлении в соответствии с принятыми правилами знаков.

Рис. 10

На рис.10 показаны два случая оставшейся части: левая и правая.

Для определения величины и составляются два уравнения равновесия для оставшейся части

Уравнение момента составляется относительно оси Х, проходящей в поперечном сечении через точку на оси балки - тогда поперечная сила в уравнение не входит и величина определяется независимо от . Можно доказать, что результат вычислений и не зависит от того, равновесие какой оставшейся части рассматривается.

Рассмотрим характерный пример (рис.11,а) и установим необходимые правила. Решение задачи, как правило, начинается с определения полной системы внешних сил. Для этого отбросим опоры и заменим их соответствующими реакциями (рис.11,б), выполняющими ту же роль, что и опорные закрепления.

Заданная система статически определима, следовательно, из условий равновесия системы, т.е. равенства нулю суммы моментов всех сил относительно шарнирных опор (в шарнирах нет ограничений поворота сечений балки, поэтому изгибающих моментов не возникает) и , определяем вертикальные реакции в опорах:

.

Для определения имеем: откуда . Для проверки правильности вычислений воспользуемся условием равенства нулю суммы всех вертикальных сил откуда получим

, 0 = 0.

Рис. 11

Для определения внутренних силовых факторов - изгибающего момента М(z) и поперечной силы Q (z) как функций от продольной координаты , воспользуемся методом сечений. Для получения этих зависимостей балку разбивают на участки, границами которых являются следующие точки: начало и конец балки; точки приложения сосредоточенных усилий; начало и конец действия распределенных усилий; сечения, в которых скачкообразно изменяется жесткость балки; в точках, где происходит изменение ориентации элементов, если имеем дело с стержневой системой со сложной структурой.

Заданная система состоит из двух участков - первого и второго . Следовательно, задавая последовательно сечения, принадлежащие к первому и второму участкам, и рассматривая равновесие отсеченных частей системы при действии на них всех внешних сил и внутренних усилий, определим выражения для внутренних силовых факторов.

Из условия равновесия ; отсеченной части системы, расположенной левее от сечения (первый участок), (см. рис.11, в), получим:

; .

Для определения и на втором участке рассмотрим равновесие отсеченной части балки, расположенной правее от сечения z2 (см. рис. 6.10,б), т.е. ; откуда и определим:

; .

Эпюры и изображены на рис.12. Заметим, что эпюры изгибающих моментов , как и поперечных сил строятся на оси бруса, однако в отличие от эпюры поперечных сил знак момента не указывается, а ординаты изгибающего момента откладываются co стороны растянутых волокон.

Рис. 12

3. Механические методы испытаний. Метод пластических деформаций

К механическим неразрушающим методам относятся методы местных разрушений, пластических деформаций и упругого отскока. Метод местных разрушений связан с некоторым ослаблением несущей способности конструкций, поскольку образцы для испытаний извлекаются непосредственно из самой конструкции. Отбор образцов обычно производят из наименее напряженных элементов конструкций, например, из верхних поясов балок у крайних шарнирных опор, из нулевых стержней ферм и т.п. После извлечения образцов из тела конструкции необходимо сразу же восстановить конструкцию, а испытания образцов осуществить немедленно. В противном случае необходимо принять меры для консервации образцов.

Рациональной является также установка бездонных форм, закладываемых в тело конструкции при ее бетонировании и извлекаемых затем для проведения испытаний.

В меньшей мере подвергаются внешним возмущениям конструкции при использовании приемов, основанных на косвенном определении механических характеристик. Так, прочность бетона может быть установлена путем испытания на отрыв со скалыванием. Эти испытания связаны либо с извлечением из тела бетона заранее установленных анкеров, либо с отрывом из массива некоторой его части. Прием, основанный на определении прочности бетона отрывом, менее трудоемок. В этом случае на поверхности бетона с помощью эпоксидного клея крепят стальной диск, а определение класса бетона производят по градуировочной зависимости условного напряжения R = 4P/ncP при отрыве. Скорость нагружения диска не должна превышать 1 кН/с. На каждом образце проводят испытания на отрыв на двух противоположных гранях.

Прочность бетона может быть установлена путем скалывания участка ребра конструкции усилием Р. При ширине площадки скалывания 30 мм ребро конструкции повреждается на участке 60--100 мм. Для получения приемлемых результатов проводят испытания на двух соседних участках и берут среднее значение, а для построения градуировочной зависимости усилия скалывания от прочности бетона на сжатие испытывают стандартные бетонные кубы со стороной 200 мм.

Метод пластических деформаций основан на оценке местных деформаций, вызванных приложением к конструкции сосредоточенных усилий. Этот метод основан на зависимости размеров отпечатка на поверхности элемента, полученного при вдавливании индентора статистическим или динамическим воздействием, от прочностных характеристик материала. Достоинство этого метода--в его технологической простоте, недостаток -- в оценке прочности материала по состоянию поверхностных слоев.

При определении прочности бетона пользуются приборами как статического действия (штамп НИИЖБа и прибор М.А. Новгородского), так и ударного (молоток К.П. Кашкарова).

Принцип действия штампа НИИЖБа заключается в том, что между испытуемой поверхностью и штампом прокладываются листы белой и копировальной бумаги так, чтобы на белой бумаге оставался отпечаток штампа при его вдавливании в тело бетона гидравлическим домкратом. По диаметру отпечатка с помощью градуировочной кривой в зависимости от радиуса штампа и силы Р вдавливания определяют класс бетона.

Большое применение в практике находит молоток К.П. Кашкарова. Принцип определения прочности бетона с его помощью аналогичен описанному выше. Отличие заключается в том, что удар молотком наносят вручную, и в зависимости от отношения диаметра отпечатка d0 на бетоне и диаметра отпечатка на эталонном стержне d3 молотка по градуировочной кривой определяют прочность бетона.

Метод пластических деформаций.

Этот метод заимствован из практики определения твердости материалов и иногда называется склерометрическим по названию приборов - склерометров. Метод основан на использовании зависимости между прочностью бетона и размером отпечатка, полученного вследствие пластических деформаций от вдавливания сферического штампа.

Штамп может вдавливаться статической или динамической нагрузкой. Наибольшее распространение получили приборы, в которых штамп вдавливается динамической нагрузкой в виде удара, который наносится с помощью молотка или путем использования энергии сжатой пружины. При этом удар должен наноситься в растворную часть бетона. В качестве штампа могут применяться диски, конусы, четырехгранная пирамида, но чаще всего используются ударники со сферическим наконечником.

Исследования твердости металлов и некоторых других кристаллических материалов показали, что размер вдавливаемого шарика должен отвечать условию:

0.2D < d < 0.6D

где D - диаметр шарика, a d- диаметр отпечатка.

Если это условие не соблюдается, то рекомендуется уменьшить диаметр шарика или увеличить силу удара.

Полученный отпечаток имеет сферическую форму и может быть охарактеризован величиной диаметра лунки d или её глубиной. Измерить h с такой же точностью, как и d значительно труднее. Кроме того, при измерении размеров лунки величина h колеблется в меньших пределах, чем d. При изменении d в пределах от 0.2 D до 0.6 D величина h изменится только в пределах от 0.01 D до 0.09 D. Таким образом, измерить диаметр отпечатка существующими приборами можно значительно точнее, чем его глубину.

Использование метода пластических деформаций было положено в основу создания большого числа приборов для измерения прочности бетона. Первые исследования в области применения пластических деформаций для оценки прочности бетона были проведены Б.Г. Скрамтаевым и в дальнейшем развиты Н.А. Физделем, К. П. Кашкаровым, М.Ю. Лещинским, М.А. Новгородским и др., а за рубежом - Крэбсом, Мильсом, Джиуси, Вандонсом и Вильямсом и др. В результате этих исследований появилось множество приборов и устройств, основанных на использовании метода пластических деформаций. Наибольшее распространение на строительных площадках и заводах ЖБИ получили только те приборы, которые имеют простую конструкцию, надежны и удобны в эксплуатации иногда в ущерб точности измерения.

Оценка прочности металла.

Наибольшее применение в строительной практике для оценки прочности металла имеет прибор Польди (рис.13) ударного действия.

Наконечником прибора является шарик 2 диаметром 10 мм из твердой закаленной стали, дающий при ударе отпечаток одновременно на исследуемом металле 1 и на стальном эталонном бруске 3, твердость которого HBэт должна быть заранее определена. Для получения отпечатков ударяют молотком по верхнему торцу стержня 4.

Твердость НВ исследуемого металла испытываемой конструкции определится из соотношения

НВ= HBэт•

где D - диаметр стального шарика 2 (рис.14);

d - диаметр отпечатка на поверхности исследуемого материала;

dэт - то же.на эталонном бруске.

Рис. 13 Схема прибора Польди:

1 - исследуемый материал;

2-стальной шарик;

3- эталонный брусок;

4- ударный стержень;

5- обойма прибор.

Рис. 14 Отпечатки, получаемые с помощью прибора Польди:

1 - исследуемый материал;

2-стальной шарик;

3- эталонный брусок.

Нахождение НВ и определение прочности и марки металла производятся с помощью соответствующих таблиц. Для термически обработанных легированных сталей вводится поправочный коэффициент.

С помощью прибора Польди можно получать, однако, лишь ориентировочные характеристики. Но и с учетом этого применение прибора практически полезно, в особенности в следующих случаях:

для ускоренной проверки однородности материала в различных элементах освидетельствуемых конструкций;

при отбраковке (проверке марок металла) поступающих заготовок.

Оценка прочности бетона.

При косвенной оценке прочности бетона по твердостным характеристикам его поверхностного слоя приходится учитывать следующиефакторы, усложняющие эту оценку:

1) большой разброс результатов испытаний на «твердость», обусловленный неоднородностью структуры бетона. Для получения надежных данных необходимо увеличить число проверяемых на поверхности точек и статистически обработать результаты испытаний;

2) возможная карбонизация поверхностного слоя, повышающая показатели твердости, а также увлажнение поверхности, снижающее эти показатели;

3) возможность расхождения прочностных характеристик на поверхности и в глубине массивных блоков. Это может быть проверено, например, контрольным бурением с выемкой образцов с разной глубины, а также применением рассматриваемых далее неразрушающих способов.

Необходимость в простых, доступных для массового применения способов оценки качества бетона настолько настоятельна, что, несмотря на указанные затруднения, для суждения о прочности бетона по механическим характеристикам его поверхностного слоя предложен целый ряд приборов и приспособлений. Краткий обзор практически наиболее оправдавших себя и методически интересных приемов приводится ниже.

Оценка прочности бетона с помощью молотка КМ.Кашкарова.

Эталонный молоток К.П. Кашкарова схематически показан на рис. 15. Принцип его действия аналогичен рассмотренному выше прибору Польди с той разницей, что удар наносится взмахом самого эталонного молотка.

Рис. 15 Схема молотка К. П. Кашкарова: 1 - головка; 2 - рукоятка; 3 - эталонный стержень; 4 - стальной шарик; 5 - стакан; 6 - торец стержня 3; 7 - испытуемый материал; 8 - пружина

При ударе боек (стальной шарик диаметром S мм) оставляет на поверхности исследуемого бетона вмятину диаметром dб, а на эталонном стержне (круглого сечения из Ст. 3 диаметром 10 мм) - отпечаток диаметром dэт. Для десяти ударов, нанесенных по проверяемому элементу с уда ленными штукатурными и окрасочными слоями, определяется усредненное отношение dб/dэт; прочность бетона оценивается по корреляционной зависимости между dб/dэт и пределом прочности бетона на сжатие, устанавливаемой экспериментально. При этом должны учитываться конкретные условия изготовления конструкции и твердения бетона, сроки испытаний, шероховатость, влажность и другие особенности состояния поверхности конструкции. Для эксплуатируемых сооружений указанная зависимость должка быть уточнена на образцах, выбуренных из соответствующих элементов.

Эталонный молоток рекомендуется для разных операций: оценок отпускной прочности бетонных изделий на заводах железобетонных конструкций, прочности бетона при передаче напряжения от арматуры на бетон в предварительно напряженных железобетонных конструкциях, коэффициента изменчивости прочности бетона в изделиях и конструкциях (что особенно существенно при освидетельствованиях сооружений) и т. д.

Шариковый молоток Н.А. Физделя .

Одним из наиболее простых приспособлений для сравнительной оценки прочности бетона является молоток И. Л. Физделя. Ударная часть этого стального молотка весом 250 г заканчивается шариком из твердой стали, легко вращающимся в гнезде. По диаметру отпечатков, полученных при ударе, определяют прочность бетона по эмпирическому графику. Результаты, несмотря на их ориентировочность, все же полезны в производственных условиях. Пользование молотком при некотором навыке не вызывает затруднений.

Ручной шариковый молоток изготавливается из инструментальной стали, с одной стороны его имеется сферическое гнездо, в котором завальцован стальной шарик диаметром 17.463 мм. Масса молотка 250 г.

Прочность бетона определяется локтевым ударом молотка по поверхности бетона В результате этого удара в бетоне проявляются пластические деформации и на поверхности остаётся отпечаток сферической формы. Прочность бетона Rc определяется по графику в зависимости от диаметра отпечатка d. Величину d можно измерить с помощью угловой масштабной линейки, мерительной лупой Польди или другим инструментом с точностью 0,1 мм.

Шариковый молоток Н.А. Физделя является практически первым прибором, который получил массовое применение на стройке. Однако точность измерения сравнительно низкая, поскольку на диаметр отпечатка влияет не только прочность бетона, но и сила удара, т.е. субъективный фактор. В настоящее время этот молоток не рекомендуется для измерения прочности, а может быть использован только для ориентировочной её оценки.



Рис. 16 Шариковый молоток И. А. Физделя:

а ) конструкция прибора; б) тарировочная кривая

Определение прочности бетона прибором "Склерометр - ОМШ1".

Склерометр предназначен для определения прочности бетона и раствора методом упругого отскока по ГОСТ 22690-88. Пределы измерений для данного метода от 5 до 50 МПа (для марок бетона от М50 до М500)

Прибор представляет собой цилиндрический корпус со шкалой, в котором размещены ударный механизм с пружинами и стрелка - индикатор. Испытания проводят путем нажатия приставленного к бетону склерометра и после удара бойка и величине его отскока зафиксированного стрелкой-индикатором по графику определяют прочность бетона(раствора). Продолжительность одного испытания 20 сек.

К склерометру прилагается график, определяющий зависимость междутвердость при уаре и прочностью бетона. График построен путем выполнения большой серии испытаний на кубиках, причем каждый кубик раздавливался в прессе непосредственно после испытания склерометром (до ± 32%).

4. Время затухания колебаний

При испытании конструкций динамической нагрузкой ставятся следующие задачи:

1) определение влияния динамической нагрузки на прочность, жесткость и выносливость конструкции;

2) определение влияния динамической нагрузки на условия нормальной эксплуатации зданий и сооружений;

3) выяснение физиологического воздействия колебаний на людей;

4) изучение поведение конструкций под действием динамической нагрузки в особых условиях, например при низких температурах и другие.

В связи с этим определяются различные параметры: динамические характеристики конструкций (частота, амплитуда, форма колебаний, коэффициент затухания); параметры динамической эксплуатационной нагрузки (направление, величину, частоту и характер) и другие параметры. К динамическим относятся нагрузки, изменяющие свою величину, направление или место приложения на конструкции. Они бывают следующих основных видов:

1. Неподвижная периодическая нагрузка, меняющая свою величину и частоту. Например, различные станки, двигатели, компрессоры, вибромашины и другие стационарные установки.

2. Подвижная нагрузка, меняющая свое положение на конструкции. Такая нагрузка действует на конструкции моста при движении транспорта, а также передается на подкрановые балки, колонны от мостового крана.

3. Ударная нагрузка, действующая мгновенно в какой-либо точке испытываемого объекта. Создается падающими телами, копрами, молотами, механизмами ударного действия.

4. Импульсная (кратковременная) характеризуемая малым промежутком времени воздействия. Например, действие взрывной волны.

5. Сейсмическая, проявляющаяся в виде беспорядочных движений почвы, толчков и ударов при землетрясениях.

6. Ветровая нагрузка, вызванная пульсацией скоростного напора. Воздействует на высотные сооружения, мачты, башни, высокие дымовые трубы.

Перечисленные нагрузки могут действовать на сооружение и совместно. Все виды динамических нагрузок вызывают в сооружениях и конструкциях вибрации. Большинство наблюдаемых на практике колебаний - гармонические, которые точно или приближенно происходят по синусоидальному или косинусоидальному законам. Эти колебания изображаются графически виброграммой.

Свободные колебания конструкции. Свободными или собственными называются колебания, которые совершает конструкция за счет внутренних упругих сил, после того как она была выведена из состояния равновесия силой, которая тут же устранена. Свободные колебания с течением времени затухают (рисунок 17).

Затухание происходит вследствие того, что часть энергии непрерывно затрачивается на преодоление различных сопротивлений как внутренних, так и внешних. Пользуясь виброграммой можно определить амплитуды постепенно затухающих колебаний (а1, а2,….., аn), период колебаний - Т, частоту f = 1/Т. Период колебаний конструкции под действием сосредоточенного груза без учета собственного веса выражается формулой

, (1)

Где m - масса груза Q;

k - коэффициент жесткости, численно равный величине груза, вызывающего единичную деформацию элемента.

Величина к - зависит от вида элемента и от характера его деформации. Для однопролетного стержня под действием осевого усилия

(2)

Для однопролетной статически определимой балки, нагруженной силой в середине пролета



(3)

Если же балка защемлена по двум краям, то

(4)

Для консольной балки с грузом на конце

(5)

Частота колебаний равна

(6)

Если учесть собственный вес балки, период колебаний увеличивается, так как к массе прибавится приведенная масса испытываемого объекта. Для балки это будет иметь вид

,

(7)



Приведенная масса балки сосредоточенная в той же точке, что и масса груза Q, будет равна для однопролетной статически определимой балки с грузом посередине пролета

, (8)

где - масса балки.

Для той же балки с защемленными краями

(9)

Наконец для консольной балки с грузом на конце

(10)

Формулы для определения Т и f остаются верными и в том случае, когда груз Q=0 и балка колеблется только под действием собственного веса.

Вынужденные колебания конструкций. Вынужденными называются колебания, вызываемые внешней динамической нагрузкой при ее непрерывном действии. В случае постоянной величины возмущающей силы и частоты виброграмма имеет постоянно повторяющуюся форму с одним значением амплитуды (рисунок 18).

Вынужденные колебания могут возникнуть от действия нескольких внешних возмущающих сил. В этом случае виброграмма будет более сложной, состоящей из суммы нескольких простых.

При совпадении частот колебаний собственных и вынужденных происходит резкое увеличение амплитуды колебаний. Это явление в технике называется резонансом (Рисунок 19). При резонансе возникают не допустимые с точки зрения нормальной работы конструкций перемещения и деформации. Так как частота возмущающей силы растет от нуля до заданной величины, то, в первую очередь, она проходит значение низшей собственной частоты колебаний конструкции. Поэтому низшая частота собственных колебаний конструкций привлекает более пристальное внимание исследователей.

Если внешняя нагрузка прекращает своё действие, то происходит затухание (рисунок 17). Затухание гармонических колебаний характеризуется зависимостью между смежными амплитудами. Степень затухания колебаний характеризуется логарифмическим декрементом колебаний

, (11)

откуда коэффициент затухания, характеризующий скорость затухания колебаний, равен

, (12)

Для практических целей определяют среднее значение коэффициента затухания бср, разбив виброграмму на несколько волн.

, (13)

где m - число волн (циклов) на участке nТ;

ак, ак+m- первая и последняя амплитуды на этом участке.



Литература

1. Беляев Б.И. Корниенко В.С. Причины аварий стальных конструкций и способы их устранения.-М.: Стройиздат, 1968.-202 с.

2. Шкинев А.Н. Аварии в строительстве.-М.: Стойиздат, 1984.-318 с.

3. Долидзе Д.Е. Испытание конструкций и сооружений.-М.: Высшая школа, 1975.-252 с.

4. Лужин О.В. Обследование и испытание конструкций. : Мос. Издат. 1985г.-320с.

5. www.magak.ru

6. www.concrete.ucoz.ru

7. www.bisalmaz.ru

8. www.soprotmat.ru

Размещено на Allbest.ru

...