Экспериментальные методы и средства проведения инженерных испытаний

Размещено на http://www.allbest.ru/

Экспериментальные методы и средства проведения инженерных испытаний

Ашрабов А.А.,

доктор технических наук, профессор;

Раупов Ч.С.

кандидат технических наук, доцент

1. Измерительные приборы для статических испытаний и область их применения

При испытании строительных конструкций статическими нагрузками измеряются как действующая сила, так и основные виды деформаций: прогибы (перемещения), продольные фибровые деформации, углы поворота конструкций и ее элементов, сдвиги отдельных элементов конструкции или их волокон относительно друг друга, кроме того, контролируется изменение напряженного состояния и свойств самого материала конструкции под действием внешней нагрузки.

При статических испытаниях используют прибор, как с непосредственным отсчетом значений измеряемой величины, так и измерительные преобразователи, позволяющие осуществлять измерения дистанционно, что на практике существенно расширяет возможности инженерного эксперимента Указанные преобразователи позволяют автоматизировать процесс измерения и регистрации значений контролируемых величин и выполнять измерения в местах, недоступных для приборов с непосредственным отсчетом.

При значительном количестве установленных датчиков и приборов, а также в случае необходимости проведения неоднократных измерений, на практике в настоящее время возможно создание следящих электронных систем с автоматическим опросом и автоматической регистрацией показаний приборов с непосредственным вводом исходных данных проводимых испытаний в ЭВМ и проведением математической обработки полученных результатов.

При испытании строительных конструкций статическими нагрузками, создаваемыми грузовыми механизмами - домкратами, лебедками, талями или талрепами; измерение интенсивности нагрузки осуществляют динамометрами. На практике различают два вида динамометров стационарные и переносные.

Стационарные динамометры применяют в основном для поверки рабочих переносных динамометров. Указанные динамометры называются образцовыми. Образцовые динамометры должны иметь государственное свидетельство с таблицей зависимостей между нагрузками и показаниями индикатора для нескольких реперных точек.

По конструктивным особенностям рабочие динамометры подразделяются на пружинные, гидравлические и электрические. В зависимости от способа регистрации измеряемой силы различают динамометры со стрелочным указателем, со счетным приспособлением и записывающие.

Динамометры со стрелочным указателем используют, главным образом, для измерения статических усилий, а счетно-регистрирующие и записывающие - для переменных усилий. Динамометры, имеющие записывающие устройства, называются динамографами. Конструктивные особенности образцовых пружинных динамометров, гидравлических и электрических представлены на рис. 1,2,3.

В полевых и лабораторных условиях действующую силу, прикладываемую к строительной конструкции, можно измерить и самым простым способом. В установку для измерения силы вместо динамометра вставляют металлический стержень и индикатором часового типа измеряют его относительную деформацию е на возможно большой базе с точностью 0.001 мм. Тогда действующую силу N в металлическом стержне в зависимости от его площади сечения А и модуля упругости материала стержня Е можно определить по следующей формуле:

N=•A•E

инженерный испытание измерительный прибор

В последнее время все шире стали применяться электромеханические динамометры с тензорезистерной измерительной системой, представленной на рис.3.

Рассмотренные динамометры обладают очень высокой чувствительностью, широким диапазоном измеряемых усилий. Одновременно они очень компактны по размерам и сопрягаемы с существующей вычислительной техникой, позволяющей автоматизировать все операции, связанные с измерениями и обработкой получаемых результатов.

а б

Образцовые динамометры: а - сжатие, б - растяжение

1 - корпус, 2 - нижняя сита, 3 - верхняя пята, 4 - флажки, 5 - рабочая игла, 6 - индикатор

Схема гидравлического динамометра

1 - рабочий цилиндр. 2 - рабочий поршень, 3 - серьга, 4 - измерительный цилиндр, 5 - поршень измерительного цилиндра, 6 - пружина, 7 - барабан, 8 -рычаг, 9 - рабочая шкала, 10 - электрический двигатель, 11 - указатель давления

а

б

в

Конструктивные особенности электромеханических динамометров: а - для измерений растягивающих усилий, б, в - для измерений сжимающих усилий

2. Методы и средства статических испытаний конструкций

Оборудование и приборы для испытания материалов и конструкций. Прессы и испытательные машины. Прессы - машины статического действия, которые создают равномерное, возрастающее с требуемой скоростью усилие, достигающее больших значений (до 100 МН). С помощью прессов определяют прочность материалов. Основная характеристика пресса - создаваемое им максимальное усилие. По виду привода прессы бывают гидравлические, механические (винтовые, фрикционные) и гидромеханические. При испытании строительных материалов чаще всего применяют гидравлические и винтовые прессы с максимальным усилием от 25 до 5000 кН.

Станина 1 прессов (рис. 39) вместе с траверсой 3 и двумя стойками 2 служит основанием для всего механизма и опорой для неподвижной плиты 4. Нагружающий механизм, который создает требуемое усилие, состоит из электродвигателя 9, преобразующего устройства (масляного насоса 8 у гидравлического пресса или редуктора 11 с фрикционной муфтой у винтового пресса) и опорных плит 4 и 5. В прессах с гидравлическим приводом (рис. 39,а) для передачи усилия на подвижную опорную плиту 5 используется рабочая жидкость, обычно минеральное масло. Масло из бака насосом 8 высокого давления подается в гидроцилиндр, вмонтированный в станину пресса. Масло в гидроцилиндре передает давление на поршень 6, на котором помещается нижняя подвижная плита 5 пресса. Поршень имеет относительно большую площадь F, поэтому, по закону Паскаля, давление масла рм создает на поршень большое усилие:

Р = РмF

В прессах с винтовым приводом (рис. 39,б) усилие на подвижную плиту 5 передается грузовым винтом 10, который приводится во вращение электродвигателем 9через редуктор 11 с фрикционной муфтой и червячную передачу 12. Благодаря редуктору и червячной передаче частота вращения винта (и соответственно скорость его поступательного движения вверх) во много раз меньше частоты вращения электродвигателя, но при этом во столько же раз больше становится усилие, развиваемое винтом, по сравнению с усилием, развиваемым электродвигателем. Фрикционная муфта обеспечивает мягкую связь грузового винта с электродвигателем, предохраняя последний от перегрузок. Часто параллельно с электродвигателем применяют приспособление для ручного нагружения, позволяющее нагружать с любой малой скоростью и фиксировать усилие с большой точностью.

Схемы прессов: а - гидравлического, б - с винтовым приводом;

1 - станина, 2 - стойки, 3 - траверса. 4, 5 - плиты, 6 - поршень, 7 - силоизмерительное устройство, 8 - насос, 9 - электродвигатель, 10 - винт, 11 - редуктор, 12 - червячная передача

Силоизмерительное устройство 7 прессов предназначено для измерения действующего на образец усилия. По конструкции силоизмерители могут быть рычажно-маятниковые, пружинные (торсионные) и гидростатические. В рычажно-маятниковом силоизмерителе (рис. 40,а) давление масла на плечо рычага 6уравновешивается отклоняющимся от положения равновесия маятником 5. Маятник соединен с указательной стрелкой 3, показывающей измеряемое усилие на шкале 4. В конструкциях таких силоизмерителей различных прессов используют систему из нескольких рычагов, в результате чего сила, которую должен уравновесить маятник, уменьшается в десятки и даже сотни раз.

В пружинном и торсионном силоизмерителях давление масла на поршень уравновешивается каким-либо упругим элементом (пружиной или торсионом). В пружинном силоизмерителе (рис. 40,б) под давлением масла поршень 2 гидроцилиндра давит на шток 1 и смещает рычаг, на другом плече которого установлена пружина 9. При повороте рычага пружина растягивается и уравновешивает приложенное к нему усилие, при этом растяжение пружины пропорционально этому усилию. Вместе с верхним концом пружины перемещается тяга 8, соединенная с зубчатой рейкой 7. Рейка поворачивает шестеренку и установленную с ней на одной оси указательную стрелку 3. Недостаток пружинных силоизмерителей изменение со временем упругой характеристики пружины и в результате - изменение точности измерения усилия.

Гидростатическими силоизмерителями в прессах служат пружинные манометры (рис. 41), которые с помощью патрубка 1 с резьбой присоединяются к гидросистеме пресса. Основная деталь пружинного манометра - согнутая по окружности полая трубка-пружина 2 овального сечения. Один конец трубки припаян к патрубку 1, другой - запаян наглухо и шарнирно соединен с тягой 6. Свободный конец тяги посредством шарнира 7 соединен с рычагом 8, на противоположном конце которого имеется зубчатая рейка. Рейка находится в зацеплении с шестерней 5, на оси которой насажена указательная стрелка 4. Давление масла, подаваемого в трубку 2, заставляет ее распрямляться тем больше, чем больше давление масла. Распрямляющаяся трубка вызывает перемещение рычага с зубчатой рейкой, которая через шестерню поворачивает указательную стрелку. Величина перемещения стрелки регистрируется на шкале.



Схемы рычажно-маятникового (а) и пружинного (б) силоизмерителей: 1 - шток, 2 - поршень, 3 - стрелка, 4 - шкала, 5 - маятник, 6 - рычаг, воспринимающий нагрузку, 7 - рейка, 8 - тяга, 9 - пружина

Манометры, применяемые на прессах, периодически поверяют образцовыми манометрами. Принципиального отличия образцовых манометров от описанного технического манометра нет; образцовые манометры благодаря более тщательному изготовлению и градуировке обладают лишь большей точностью измерений. Погрешность силоизмерителей прессов не более ±2%. Опорные поверхности пресса представляют собой толстые металлические плиты (рис. 41), прикрепленные: нижняя 5 - к поршню пресса, верхняя 4 - к траверсе. Для удобства установки образцов различных размеров в центральном гнезде траверсы смонтирована винтовая пара, к которой крепится верхняя опорная плита. Вращая штурвал винта, можно вручную поднимать и опускать верхнюю плиту пресса.

Прессы большой мощности оборудованы специальным приводом для перемещения траверсы. Нижняя плита во многих прессах выполнена из двух частей, соединенных одна с другой сферической поверхностью. При этом верхняя часть, собственно плита, может свободно поворачиваться относительно нижней и тем самым устанавливаться параллельно поверхности нижней грани образца, обеспечивая плотное примыкание поверхности плиты кобразцу. В некоторых прессах подобное устройство сделано на верхней опорной плите. Для испытания строительных материалов имеется семь марок прессов (ГОСТ 8905-82): П-2,5; 11-5; 11-10; П-50; 11-125; П-250 и П-500 с верхним пределом нагружения соответственно от 25 до 5000 кН и прессы марок ИПС (табл. 4 и 5). Силоизмерители прессов снабжены двумя шкалами, одна из которых рассчитана на максимальное усилие, развиваемое прессом, другая - на усилие около 50% от максимального. Чаще всего в лабораторной практике применяют прессы П-2,5 и П-50.

Схема пружинного манометра

1 - патрубок, 2 - трубка-пружина, 3 - шкала, 4 - стрелка, 5 - шестерня, 6 - тяга, 7 - шарнир, 8 - рычаг

Пресс П-2,5. Станина пресса П-2,5 (рис. 42) с гидравлическим приводом и торсионным силоизмерителем консольного типа. В нижней консоли установлен гидроцилиндр с поршнем, на котором размещена нижняя опорная плита 1 для испытания на сжатие и может быть установлено прилагаемое к прессу устройство для испытания на изгиб. В верхней консоли установлена винтовая пара 3 для крепления и перемещения верхней опорной плиты 2 пресса. Скорость подачи масла в гидроцилиндр можно менять вращением маховика 5 регулировочного вентиля. Сброс масла из рабочего цилиндра для снятия давления осуществляется маховиком 6. Пресс снабжен устройством, обеспечивающим постоянную скорость нагружения, если регулировочный вентиль находится в одном положении. Две измерительные цилиндра силоизмерителя связаны с указательной стрелкой шкалы 4, что позволяет с помощью переключателя 7 устанавливать два предела измерения: от 2,5 до 10 и от 5 до 25 кН. Регистрирующая шкала 4 оснащена указательной и фиксирующей стрелками. При разрушении образца указательная стрелка начинает падать, а фиксирующая остается на значении достигнутой предельной нагрузки. Пресс может быть установлен на бетонном или кирпичном фундаменте или массивной металлической подставке высотой до 1 м над уровнем пола.

Пресс П-50. Гидравлический пресс с торсионным силоизмерителем состоит из двух агрегатов: собственно пресса (рис. 43,а) и насосной установки с силоизмерительным устройством и пультом управления (рис. 43,б). Основанием пресса служит станина 2, в которой сделаны вырезы 1 для установки и регулирования положения колонн 3. Вверху колонны соединены траверсой 7. В центральном гнезде траверсы смонтирована винтовая пара. На ходовом винте в с помощью шарового шарнира 5 с установочными болтами подвешена верхняя плита 4. Болты позволяют точно зафиксировать положение образца и равномерно передавать на него нагрузку.

Для этого после обжатия образца небольшим усилием и самоустановки плиты винты отворачивают до соприкосновения с опорной плитой и в этом положении проводят испытание до разрушения образца. Насосная установка 15, приводимая в действие электродвигателем 10, соединена с рабочим цилиндром медной трубкой 8 подачи масла и трубкой 9 сброса его обратно в бак, расположенный также в корпусе насосной установки. Торсионный силоизмеритель, размещенный в верхней части корпуса 11, связан с гидравлической системой посредством попеременно включаемых гидроцилиндров с измерительными поршнями. Различная площадь поршней позволяет на одной шкале 12 определять нагрузку до 200 и до 500 кН.

Гидравлический пресс

П-2,5: 1, 2 - плиты, 3 - винтовая пара, 4 - шкала, 5, 6 - маховики, 7 - переключатель

Масло при включенном электродвигателе подается в гидроцилиндр при отворачивании маховика 14 регулировочного вентиля. На правой боковой стенке корпуса расположен маховик сброса масла из рабочего гидроцилиндра в бак. Пределы измерений устанавливают рукояткой 13 переключения измерительных цилиндров. Чтобы задать требуемый предел, рукоятку поворачивают до совмещения риски на поворотном конусе рукоятки с требуемой цифрой на лимбе, закрепленном на корпусе. Эту операцию можно выполнять только при выключенном электродвигателе и отсутствии давления масла. Круговая шкала оборудована указательной и фиксирующей стрелками.



Пресс П-50 (а) с насосной установкой (б):

1 - вырезы, 2 - станина, 3 - колонна, 4 - плита, 5 - шарнир, 6 - ходовой винт, 7 - траверса, 8, 9 - трубки, 10 - электродвигатель, 11 - корпус силоизмерителя, 12 - шкала, 13 - рукоятка, 14 - маховик, 15 - насосная установка

Для испытания изделий малых размеров, а также образцов (с целью определения характеристик бетона и арматуры) применяют универсальные испытательные машины с гидравлическим или механическим приводом грузоподъемностью до 500 т (рис. 44). Такие машины позволяют проводить испытания не только на сжатие и изгиб, но и на растяжение, а также на динамическое действие нагрузок. Характеристики универсальных машин приведены в табл. 4 и 5.



Универсальная испытательная машина:

1 - выключатель, 2 - нижний захват, 3 - образец, 4 - подвижная рама, 5 - опора для испытания на изгиб, 6 - место установки образцов для испытаний на сжатие и изгиб, 7 - гидродомкрат, 8 - штамп, 9 - опора для испытания на сжатие, 0 - рычаг, 11 - диаграммный аппарат, 12 - шкала, 13, 14 - маховики

Характеристики гидравлических прессов ИПС

Показатели	ИПС-1000	ИПС-500	ИПС-200
Высота пресса, м	10,2	7	5
Занимаемая площадь пола, м2	6,3х5,6	6х5	4,1х2,4
Максимальное усилие, МН	10	5	2
Пределы измерения усилия по сменным шкалам А, В, м С, МН	0,4…2,50,5…50	0…10…5	0…0,50…2
Расстояние между опорными плитами, м	6	3,5	2,5
Расстояние в свету между стойками, м	1,0	0,8	0,8
Наибольший пролет прииспытании балки на изгиб, м	4,5	2,5	1,5
Наибольший ход плунжера, мм	300	250	250

Характеристики универсальных испытательных машин

Показатели	ГРМ-2А	ГРМ-1	УМ-5
Высота, м	5,15	3,5	2,2
Занимаемая площадь пола, м2	3х3,3	2,1х1	1х0,65
Максимальное усилие, МН	1000	500	50
Пределы измерения по шкалам, кН	0…2000…5000…1000	0…1000…2500…5000	0…100…200…50
Расстояние между опорными плитами, м	1,5	1	0,75
Расстояние в свету между колоннами, м	1,01	0,4	0,4
Наибольший ход плунжера, мм	300	250	-

Обслуживание прессов. За исправностью пресса и его состоянием ежедневно наблюдает лаборант, выполняющий испытания, и специалист-механик. Перед началом испытаний производят внешний осмотр пресса и удаляют с него следы влаги и загрязнений. Установку пресса, который должен располагаться на массивном фундаменте, изолированном от пола помещения, проверяют периодически по уровню и отвесу. В инструкции, прилагаемой заводом к прессу, указываются базовые (поверочные) поверхности, где следует помещать уровень или прикладывать отвес, а также допускаемые отклонения базовых поверхностей от горизонтальной или вертикальной плоскости. Все трущиеся и вращающиеся части периодически смазывают. Особенно тщательно смазывают шаровую поверхность самоустанавливающейся плиты и винтовую пару подъема верхней опорной плиты. На сферической поверхности самоустанавливающейся плиты недолжно быть ржавчины и задиров; поверхности должны свободно смещаться одна относительно другой. Шарнир смазывают графитной смазкой (смесью графитной пудры и технического вазелина). Насос подачи должен работать в среде жидкого машинного масла. Уровень масла в насосном блоке проверяют щупом с контрольной риской, установленным в контрольном отверстии масляного бака.

Важное значение для нормальной работы пресса имеет состояние опорных плит, через которые непосредственно передается давление на образец. Перекос или искривление поверхностей вследствие неправильной центровки образцов, износа плит или их изгиба при работе с превышением предельных нагрузок могут оказать существенное влияние на результаты определения прочности. Особое внимание обращают на смазывание и чистоту деталей силоизмерительного устройства: опорных частей, рычагов, подшипников. Загрязнение этих деталей, коррозия их поверхностей недопустимы, так как снижают чувствительность силоизмерительного устройства и приводят к увеличению ошибки измерений. Силоизмерительное устройство должно быть всегда закрыто крышкой и периодически осматриваться. Призмы и подушки рычагов силоизмерителя должны иметь плитную посадку в своих гнездах без подкладок и зарубов (от раскернивания); на их рабочих поверхностях и ребрах не должно быть механических повреждений и следов грязи.

Взаимодействие отдельных механизмов пресса проверяют при работе пресса вхолостую (без образца). Электродвигатель и насос должны работать без посторонних шумов. При испытании нагрузка должна подниматься равномерно без толчков и пульсации. Пресс должен обеспечивать минимальное время выдержки нагрузки (для гидравлических прессов 30 с) на одном уровне при отключенном двигателе (в этом случае допускается изменение нагрузки не более точности ее определения по паспортным данным обычно не более одного деления шкалы по силоизмерителю). При разгрузке указательная стрелка должна вернуться на нуль. Расхождение допускается не более половины деления. Следует также проверять надежность фиксации наибольшей нагрузки фиксирующей стрелкой, которая может зацепиться за указательную и возвращаться с ней к нулю. Все прессы для предохранения силоизмерителя от случайных перегрузок снабжены конечными выключателями, автоматически выключающими электродвигатель при достижении предельной нагрузки. Они срабатывают непосредственно от указательной стрелки при перегрузке не более 2…5%. Исправность таких выключателей проверяют, осторожно повышая нагрузку за пределы допустимой. Кроме того, проверяют положение стрелок на шкале и расстояние их от поверхности шкалы, которое должно быть не менее 1…2 мм.

В процессе работы детали прессов изнашиваются и деформируются, поэтому прессы подлежат периодической проверке не реже, чем раз в два года органами Госстандарта. При проверке производят градуировку силоизмерительных приборов, эксплуатационную проверку гидравлической системы и обследование состояния деталей, передающих нагрузку на образец.

3. Методика испытаний на прочность в прессах

Прежде чем приступить к испытанию образцов на прочность, определяют тип пресса, который можно использовать. При выборе пресса учитывают, что разрушающая нагрузка должна составлять не менее 0,2 и не более 0,8 от предельной нагрузки Ртax пресса (при заданной шкале измерения нагрузки). При разрушающей нагрузке, меньшей 0,2 Рmax , точность измерения нагрузки снижается, а при нагрузках, близких к 0,8 Рmax , трудно обеспечить необходимую скорость нагружения, а детали и гидравлическая система пресса подвергаются повышенному изнашиванию. Разрушающую нагрузку рассчитывают ориентировочно, исходя из паспортных данных на материал и размеров испытуемых образцов. Плита пресса должна всей плоскостью примыкать к поверхности образца. Это условие может быть нарушено при изгибе плит во время испытания образца. Чтобы этого не произошло, необходимо соблюдать определенное соотношение между размерами плит и образца: ширина образца должна быть не более 1,25 толщины плиты. Перед испытанием проверяют состояние поверхности плит пресса. Она должна быть чистой, без следов грязи и масла, так как последние сильно меняют условия испытания.

Для определения прочности на сжатие применяют образцы (кубы, цилиндры, призмы различных размеров), установленные стандартами на соответствующий материал (рис. 45). Образцы помещают строго на середину нижней плиты пресса, имеющей разметку для центровки образца. Для правильной центровки образцов применяют также специальные шаблоны, прикрепляемые к нижней плите пресса и проградуированные так, что при совмещении центра образца с центром шаблона включается сигнальное устройство. После этого вращением маховика верхнюю плиту приближают к образцу так, чтобы между ними оставался небольшой зазор. Поворачивая в зависимости от конструкции пресса верхнюю или нижнюю плиту, имеющую шаровую шарнирную головку, добиваются, чтобы зазор по всей поверхности образца был равномерный. Затем вращением маховика верхней подвижной плиты образец зажимают между плитами, при этом достигается полное примыкание всей поверхности нижней и верхней граней образца к поверхности плит пресса. Далее верхнюю плиту приподнимают настолько, чтобы между ней и верхней поверхностью образца зазор составлял 2…5 мм. Установка образца в пресс на этом заканчивается.

Перед включением пресса необходимо убедиться, что предел измерения нагрузки выбран правильно. Для этого проверяют соответствие установки рычага переключения диапазонов измерения требуемому пределу. При измерении усилия манометрами включают нужный манометр, а все остальные манометры отключают, главным образом те, которые используются для измерения меньших нагрузок. Для переключения манометров каждый из них на пульте управления имеет свой вентиль. Указательная стрелка силоизмерителя должна стоять на нуле, а фиксирующая - быть на нуле или сдвинута так, чтобы предельная ожидаемая нагрузка соответствовала большему числу делений, чем-то, против которого она установлена. Маховик регулирующего вентиля и маховик сброса масла должны быть закрыты. После включения электродвигателя пресса вращением маховика регулирующего вентиля открывают подачу масла в рабочий цилиндр. При этом следят за исчезновением зазора, оставленного между верхней гранью образца и плитой пресса, и за началом движения указательной стрелки силоизмерителя. Требуемую скорость увеличения нагрузки устанавливают опытным путем с помощью регулирующего вентиля. Момент разрушения образца определяют по началу обратного движения указательной стрелки силоизмерителя при работающем нагружающем устройстве.

(

Стандартные испытания бетонных образцов: кубов (а), призм (б) и цилиндров (в) для определения прочности на сжатие

Предельную (разрушающую) нагрузку снимают по показанию фиксирующей стрелки. Если последней нет, внимательно следят за указательной стрелкой. За предельную нагрузку принимают наибольшее число делений, достигнутое движущейся стрелкой. При испытании слабых образцов разрушение более продолжительно и нередко наблюдается плавный сброс нагрузки. В этом случае за предельную нагрузку на образец также принимают наибольшее число делений по шкале, достигнутое указательной стрелкой. После разрушения образца, не выключая двигатель, необходимо плавно сбросить масло из гидроцилиндра в бак. Для этого открывают вентиль сброса и закрывают регулирующий вентиль. Затем двигатель выключают. Куски разрушенного образца аккуратно удаляют с плит (нижней и верхней) пресса мягкой щеткой или тряпочкой. После этого пресс готов для испытания следующего образца.

Для вычисления предела прочности при сжатии определяют разрушающую силу Рu либо непосредственно по силоизмерителю, либо, по тарировочным таблицам, прилагаемым к прессу. При использовании манометров разрушающая сила может быть вычислена как произведение площади поршня пресса на максимальное давление масла в прессе в момент разрушения (максимальное показание манометра). Площадь сечения образца F, параллельного плитам пресса, устанавливают по результатам обмера, производимого перед испытанием. Предел прочности при сжатии R (МПа) образца определяют по формуле:

R = Pu / F

Прочность бетона на растяжение определяют двумя способами: прямым (испытание на осевое растяжение) и косвенным (испытание на раскалывание).

На осевое растяжение обычно испытывают образцы квадратного сечения с утолщениями к концам, так называемые «восьмерки», рис. 46,а). При растяжении образец разрушается (разрывается) в средней, более тонкой рабочей части, которая может иметь сечение 100х100, 150х150 или 200x200 мм. В крайних утолщенных частях сечение соответственно составляет 150x150, 250x250 или 360x360 мм. Длина рабочей части образца в три раза, а общая длина образца в семь раз больше размера рабочего сечения. В утолщенных частях расположены арматурно-монтажные петли из стали диаметром 6 мм, выступающие за торцы образца и предназначенные для закрепления в универсальной испытательной машине. При наличии цанговых захватов и карданных шарниров, позволяющих прилагать к образцу чистое осевое растяжение, можно использовать цилиндрические образцы (рис. 46,в) и получить более точные значения прочности при растяжении.

Испытания образцов-цилиндров на раскалывание (а) и образцов в форме «восьмерки» (б) и цилиндра (в) на осевое растяжение

На раскалывание испытывают такие же кубы или цилиндры, как и при испытании на сжатие (кубы должны иметь на двух противоположных ребрах фаски шириной 14 мм). Образцы устанавливают в пресс по схеме (рис. 46,б). Куб опирается ребром так, что усилие сжатия направлено вдоль оси, а цилиндр опирается по образующей (усилие сжатия направлено по диаметру). При нагружении образец раскалывается от поперечных растягивающих деформаций, поэтому усилие раскалывания - косвенная характеристика прочности бетона при растяжении. Предел прочности Rts (на растяжение при раскалывании) вычисляют по формулам:

Rts = 0,52 Рu / а2, или Rts = 2 Рu /(рdl)

где: Рu - разрушающая нагрузка с учетом тарировочного коэффициента; а - размер куба, см; d, l - диаметр и длина цилиндра, см.

4. Выбор элементов для испытания и схемы загружения

При приложении нагрузки к сооружению в работу вовлекаются все его конструктивные элементы или лишь отдельные их совокупности, ближайшие к месту загружения. Так, нагрузка, приложенная к проезжей части моста в любом месте по длине его пролета, обусловливает появление внутренних сил во всех элементах поясов и решетки несущих ферм; не включаются в работу лишь отдельные так называемые "нулевые" стержни. При испытаниях подобного рода сооружений нескольких положений нагрузки бывает достаточно для обеспечения интенсивной работы всех главнейших элементов. Задача выбора элементов при назначении программы испытаний сводится в данном случае к решению вопроса, где именно целесообразнее размещать измерительные приборы для оценки работоспособности и состояния сооружения в целом.

С иным положением приходится иметь дело в большинстве объектов промышленного и гражданского строительства, составленных обычно из многочисленных однотипных элементов в определенном их сочетании. Так, например, в многоэтажном промышленном здании каркасного типа нагрузка, приложенная на небольшом участке какого-либо из перекрытий, передается на фундаменты через ближайшие ригели и колонны; колонны и ригели, удаленные на несколько пролетов от места загружения, почти не вовлекаются в работу. Слабо или совсем не деформируются примыкающие ненагруженные плиты того же перекрытия, и практически совершенно не работают перекрытия других этажей. При исследованиях подобного рода сооружений выбор элементов для испытания связан непосредственно с выбором места приложения нагрузки. При этом руководствуются следующими соображениями:

1) количество загружаемых элементов должно быть минимальным, во избежание чрезмерных затрат времени и средств, необходимых для проведения статических испытаний;

2) испытаниями должны быть охвачены все основные виды несущих элементов исследуемой конструкции; в первую очередь испытывают элементы, работающие наиболее интенсивно, и элементы с обнаруженными в них дефектами и повреждениями, надлежащая работоспособность которых сомнительна; 3) отбирают элементы с возможно более четкой схемой статического опирания и закрепления; при прочих равных условиях желательно выбирать элементы, свободные от дополнительных связей с примыкающими частями сооружения, которые могут вносить трудноучитываемые искажения в работу исследуемых элементов.

При отборе образцов серийного изготовления для их контрольных испытаний исходят из следующего. Для суждения о качестве изделий рассматриваемой партии должны быть испытаны наилучшие и наихудшие образцы. Отбор их для статических испытаний производится на основании осмотра, контроля неразрушающими методами и предварительной вибрационной проверки. Усредненная оценка дается по результатам испытания образцов в состоянии, наиболее характерном для большинства изделий данной партии. Отбор изделий, подлежащих испытанию, производится по данным визуального осмотра и изучения технической документации. Для испытаний выбирают не менее двух изделий среднего качества. Если в партии изделий массового изготовления больше 200 шт., количество испытуемых изделий должно составлять не менее 1% от всей партии. Отобранные изделия маркируют, проводят освидетельствование с определением размеров, массы, расположения арматуры и толщины защитного слоя, проверкой технической документации и заносят результаты освидетельствования в испытательную ведомость. Подготовка к испытаниям состоит в транспортировании изделия, установке его в пресс и обеспечении подстраховки на время испытаний.

Нагрузочная схема уточняется одновременно с выбором элементов для испытания, поскольку эти задачи взаимосвязаны. Выбранная схема распределения нагрузок должна обеспечить появление в исследуемых элементах необходимых напряжений и деформаций, достаточных для выявления определяемых характеристик, но при этом следует учитывать имеющиеся реальные возможности (наличие определенных видов загрузочных приспособлений) и стоимость испытания. Последнее очень существенно, поскольку уменьшение требуемой нагрузки упрощает и удешевляет процесс проведения испытаний и позволяет укладываться в более короткие сроки при нагружении и разгрузке. В качестве отдельных примеров ниже приведены схемы испытания разрезной плиты (рис. 47), неразрезной балки (рис. 48) и полигональной фермы (рис. 49) с соответственно равномерно распределенной и сосредоточенной нагрузками. Представленные схемы испытания экономичны по трудозатратам и стоимости, удобны как для контроля за испытательной нагрузкой, так и для автоматизации испытаний.



Схема испытания монолитной разрезной плиты: а - фактическая нагрузка, в натурных условиях; б - эквивалентная распределенная нагрузка

(I вариант испытания); в - эквивалентная сосредоточенная нагрузка (II вариант испытания) Нагрузка и ее разновидности при статических испытаниях. При статических испытаниях нагрузка должна прикладываться к объекту постепенно, без рывков и ударов, с тем чтобы влиянием сил инерции можно было бы пренебречь. Нагрузки и нагрузочные устройства должны удовлетворять следующим основным требованиям: давать возможность четкого определения усилий в испытуемом объекте; быть по возможности транспортабельными и не требовать значительной затраты времени для их приложения и снятия; при испытаниях с длительной выдержкой должна быть обеспечена стабильность нагрузок, т. е. ее постоянство во времени. На практике все нагрузки при статических испытаниях можно условно разделить на распределенные и сосредоточенные.



Схема испытания многопролетной неразрезной балки:

а - схема балки; б - линия влияния изгибающего момента при нагружении балки в полевых условиях; в, г - эквивалентное загружение пяти и трех пролетов распределенной нагрузкой; д, е - эквивалентное загружение сосредоточенной нагрузкой трех и одного пролета

Распределенную нагрузку любой интенсивности можно реализовать на практике с применением: а) сыпучих материалов (песок, щебень, гравий, керамзит);

б) мелкоштучных грузов;

в) крупноштучных грузов;

г) системы загружения водой;

д) системы загружения воздухом.

Сосредоточенную нагрузку можно обеспечить в полевых и в лабораторных условиях на основе использования: а) подвешивания грузов; б) системы распределительных устройств; в) системы натяжных устройств (талей, лебедок, полиспастов); г) гидравлических и винтовых домкратов. При этом, в зависимости от задач испытаний (заводские испытания, приемочные, эксплуатационные, аварийные) и вида конструкции, испытательная нагрузка по величине может быть:

- частью нормативной нагрузки (при уточнении расчетной модели несущего элемента);

- полной временной нагрузкой в одном из сочетаний (испытания конструкций I и II категорий трещиностойкости для проверки условий их наступления);

- суммой нормативной временной нагрузки и веса недостающих частей здания (испытания в период возведения здания);

- расчетной временной нагрузкой (приемочные испытания уникальных конструкций особого назначения);

- больше расчетной (приемочные испытания с нагрузкой, большей проектной);

- разрушающей (заводские испытания серийно выпускаемой конструкции).

Схема загружения конструкции должна обеспечить возникновение в исследуемых элементах необходимых напряжений и деформаций. Однако при этом следует учитывать реальные возможности и планируемую стоимость испытаний. Стоимость, трудоемкость и продолжительность испытаний могут быть существенно уменьшены при расположении нагрузки собственно на сооружении.

5. Проведение статических испытаний

Подготовительные работы. Высокая трудоемкость, стоимость, а в отдельных случаях и невозможность повторения испытаний при статических загружениях требуют тщательной разработки программы испытаний, которые в значительной степени предопределяют как эффективность всей предстоящей работы, так и надежность всех данных, получаемых в результате испытания. Перед началом испытаний должна быть проведена необходимая подготовка: смонтированы нагрузочные приспособления и подготовлена нагрузка; установлены подмости и ограждения; обеспечено, если это вызывается условиями испытаний, дополнительное освещение мест установки приборов; согласованы перерывы в эксплуатации исследуемого объекта и т. д.

Перед началом испытаний необходимо провести предварительные подсчеты. Уточняется требуемая испытательная нагрузка, и определяются соответствующие этой нагрузке значения перемещений, деформаций, напряжений и усилий, возникающих в исследуемых элементах конструкций. Такие подсчеты являются продолжением перерасчетов, выполняемых по результатам освидетельствования, и производятся с учетом всех выявленных при этом отступлений от проекта, уточненных характеристик материала, обнаруженных ослаблений и т. д. В сооружениях с неявно выраженной расчетной схемой, допускающей выбор нескольких возможных вариантов, предварительные подсчеты должны быть выполнены по всем этим схемам.

Сравнение с результатами испытаний позволяет в дальнейшем выбрать из них схему, наиболее близкую к действительной работе сооружения. Аналогично поступают в отношении модуля упругости и других характеристик материала, если до начала испытания значения их не могут быть надежно определены. Эти подсчеты ведутся в пределах возможных диапазонов с дальнейшим уточнением фактических значений по результатам испытаний.

Испытания конструкций следует проводить при положительной температуре воздуха при прочности бетона на сжатие не менее 90% от прочности, соответствующей классу бетона по прочности на сжатие и устанавливаемой согласно действующим стандартам. Конструкции, хранившиеся при отрицательной температуре или поступившие на испытания непосредственно после термовлажностной обработки, предварительно выдерживают не менее 1 сут в помещении при температуре не ниже 15єС.

Схемы опирания и нагружения изделий. Схему нагружения конструкций при разработке проектной документации необходимо выбирать так, чтобы она соответствовала условиям работы конструкции в стадии эксплуатации и чтобы при испытании конструкций по этой схеме достигалось контролируемое предельное состояние. Если при одной схеме нагружения конструкции нельзя проконтролировать все предельные состояния, то следует предусматривать, испытания двух и более конструкций по разным схемам нагружения.

Конструкции следует испытывать в том положении, в котором они будут эксплуатироваться. При проведении испытаний конструкций в горизонтальном положении силами, направленными горизонтально, конструкция должна быть уложена на часто расположенные шаровые подвижные опоры, исключающие изгиб конструкции в вертикальной плоскости от собственной массы. Размещение опор при испытании конструкций должно соответствовать схеме опирания, принятой при расчете этих конструкций. Балки, фермы, балочные плиты и настилы, рассчитанные как однопролетные свободно опертые конструкции, следует опирать на две шарнирные опоры, причем одна из опор должна допускать свободное перемещение конструкции вдоль ее оси. При передаче сосредоточенной нагрузки с помощью распределительных балок последние должны опираться на испытываемую конструкцию не более чем в двух местах, причем одна из опор должна иметь возможность свободного перемещения вдоль распределительной балки.

Действительная схема опирания или закрепления элементов отличается от расчетной. Например, балка перекрытия, опирающаяся одинаково на обе колонны (рис. 50,а), уложена на подливку из цементного раствора. При расчете же предлагалось, что одна опора 1 шарнирно-подвижная, другая 2 - шарнирно-неподвижная (рис. 50,б). Цель испытания изделия - проверка расчетных предположений, которые обеспечивают дополнительный запас прочности. Поэтому при испытании специально устраивают шарнирные опоры (или другие закрепления изделий), соответствующие проектным. Примеры шарнирных опор показаны на рис. 50.

Слева - схемы опирания балки на двух опорах: а - в натуре, б - при испытании; 1 - подвижная опора, 2 - неподвижная опора. Справа - конструкция шарнирных опор: а - подвижных, б - неподвижных; 1 - каток, 2 - нижняя пластина, 3 - бетон, 4 - сварной шов, 5 - стальной уголок

Расстояния между опорами назначают с учетом действительного опирания изделия. Например, в балке (рис. 50) испытательный пролет равен проектному расстоянию между центрами площадок опирания балки на колонну. Если при проектировании изделие рассчитано как консоль (рис. 51), то при испытании со стороны заделки устраивают закрепление в виде двух шарнирно-неподвижных опор, расположенных вблизи заделываемого конца.

Конструкция опирается на нижнюю опору 3 и поддерживается верхней анкерной опорой 1, прикрепленной тягами 4 к силовому полу 5.

Испытание плит и панелей, работающих в двух направлениях, при проектировании которых предполагалось опирание по четырем сторонам или углам, проводят с опиранием на шаровые и катковые опоры, установленные, как показано на схеме рис. 51,б,в. При этом должна обеспечиваться возможность поворота конструкций на опорах и свободное горизонтальное смещение трех опорных точек относительно четвертой неподвижной. В качестве подвижных опор следует применять стальные катки или шары диаметром не менее 50 мм, свободно укладываемые между двумя стальными прокладками. Конструкция должна опираться на стальные плиты, симметрично расположенные относительно оси опирания. Площадь стальных плит должна соответствовать площади опирания, принятой в проектной документации; при этом длину плит принимают равной наименьшей длине опирания, измеряемой вдоль пролета, а толщину - не менее 1/6 длины плиты. Опирание конструкции на стальные плиты должно осуществляться через выравнивающий слой раствора, прочность которого должна составлять не менее 50% прочности бетона конструкции. Схемы испытания ферм показаны на рис. 52.



Схема испытания: консольной балки (а):

1, 3 - опоры, 2 - грузы, 4 - тяга, 5 - силовой пол, l - проектная длина заделки; плит, опертых по контуру (б) и по углам (в): 1 - шаровая опора, 2 - каток, 3 - плита, 4 - шар

При испытании на сжатие колонн и стеновых панелей усилия передают через распределительные балки с помощью катковых шарниров. Смещение катков относительно оси колонны или срединной плоскости панели должно быть равно расчетному эксцентриситету (при внецентренном сжатии). При центральном сжатии нагрузка передается через шаровые шарниры.



Схемы размещения опор и нагружения ферм: 1 - ферма; 2 - домкраты; 3 - поперечные траверсы; 4 - продольные траверсы; 5 - тяги; 6 - опорные катки; 7 - стойки; 8 - башмаки; 9 - прогибомеры для определения прогибов; 10 - прогибомеры для измерения удлинения нижнего пояса; 11 - индикаторы для измерения осадки опор; 12 - индикаторы для измерения смещения концов арматуры

Как правило, изделия испытывают в том положении, в котором они будут находиться в сооружении. Если испытание проводится на оборудовании, передающем горизонтальные усилия, а в сооружении изделие нагружается вертикально, допускается соответствующий поворот изделия на 90° и испытание его горизонтальной нагрузкой. Возможны случаи передачи нагрузки снизу вверх, тогда как в натуре нагрузка действует сверху вниз. При этом изделие поворачивают на 180°. Во всех случаях поворот должен совершаться так, чтобы изменение направления нагрузки от собственного веса не вызывало появления трещин в изделии. Обычно поворот осуществляют кантованием, а при подъеме и установке в испытательное положение применяют монтажные балки (траверсы), на которые изделие опирается по всей длине.

Способы нагружения изделий. Изделия можно нагружать гидравлическими домкратами и в специальных испытательных машинах. Испытание плит, настилов, панелей и других конструкций равномерно распределенной нагрузкой осуществляют сжатым воздухом, накачиваемым в резиновые баллоны или штучными грузами, в качестве которых обычно используют металлические или бетонные блоки, укладываемые на поверхность изделия в один или несколько ярусов (рис. 53), баки с водой, ящики с сыпучими материалами.

Испытание штучными грузами: 1 - опорный блок, 2 - пластина, 3 - шарнирная опора, 4 - изделие, 5 - штучные грузы, 6 - индикатор, 7 - прогибомер

Самый распространенный способ нагружения железобетонных конструкций - применение гидравлических домкратов в специальных испытательных стендах и установках, рис. 56-58. Иногда стенды конструируют в виде П-образных стальных рам, стойки которых заделаны в силовой пол (рис. 54). Домкраты 2устанавливают между ригелем 1 рамы и распределительными балками 3, которые опираются на испытуемое изделие 4. При испытаниях применяют домкраты грузоподъемностью до 200 т, рассчитанные на давление около 40 МПа. Гидравлический домкрат (рис. 55), состоит из цилиндра 3 с днищем 1, плунжера 2,поршня 7 с трубчатым штоком 8 и опорной плитой 5. Масло подается под давлением через штуцер 4 в нижнюю полость 9, а затем через шток 8 в верхнюю полость 6. Под действием давления масла плунжер перемещается относительно поршня и цилиндра, которые остаются неподвижными.

Рамный стенд:

1 - ригель, 2 - домкрат, 3 - нагрузочная траверса, 4 - конструкция

Гидравлический домкрат: 1 - днище, 2 - плунжер, 3 - цилиндр, 4 - штуцер, 5 - опорная плита, 6, 9 - полости, 7 - поршень, 8 - шток

Для нагнетания масла применяют насосные станции с ручным или электрифицированным приводом, оборудованные манометрами для измерения давления. На силовой пол - важнейшую часть испытательных стендов - опирается исследуемое изделие, и в него заделываются анкерные элементы (стойки) рамы стенда. Плиты силового пола (рис. 59) изготовляют из железобетона толщиной до 2 м с армированием в трех направлениях стальными стержнями и с усилением мест заделки анкерных элементов прокатными уголками 3 и швеллерами.

Схема стенда для испытаний балочных элементов двумя сосредоточенными грузами: 1 - опоры стенда; 2 - стальные пластинки; 3 - каток; 4 - испытываемая конструкция; 5 - распределительная траверса; 6 - гидравлический домкрат; 7 - поперечная траверса; 8 - заанкеренная стойка; 9 - анкерные траверсы; 10 - анкерные болты; 11 - стальной шар; 12 - штырь

Если позволяют габаритные размеры изделия и требуемое усилие, испытания проводят на гидравлических прессах, устанавливаемых в лабораторном зале. Выпускаемые промышленностью прессы ИПС (ПММ) (табл. 1) позволяют испытывать колонны и панели высотой до 6 м на сжатие усилием до 2…10 МН. Форма нижней плиты прессов удлиненная, что дает возможность проводить испытания балок пролетом до 1,5…4,5 м на изгиб усилием до половины от максимального усилия при сжатии.



Схема нагружения конструкции при помощи рычажного устройства:

1 - опора конструкции; 2 - стальные пластинки; 3 - испытываемая конструкция; 4 - каток; 5 - распределительная траверса; 6 - клиновой шарнир; 7 - рычаг; 8 - стойка; 9 - анкерная траверса; 10 - грузовая платформа

Схема стенда для испытаний плит сжатым воздухом

1 - опора; 2 - каток; 3 - подача сжатого воздуха; 4 - верхний ростверк; 5 - поперечная рaма; 6 - испытываемая конструкция; 7 - анкерная траверса; 8 - стальные пластинки; 9 - воздухонепроницаемая камера



Силовая плита:

1 - анкерная щель; 2 - цементный пол; 3 - уголки; 4 - бетон; 5 - гравийнопесчаная подушка

Пример испытаний железобетонной тавровой балки в испытательном стенде приведен на рис. 60. При испытании на стендах с нагружением гидравлическими домкратами сначала закрепляют стойки рам в силовой плите и устанавливают на силовой пол нижние шарнирные опоры и распределительную плиту. Затем транспортируют испытуемое изделие к стенду, помещают его на распределительную плиту, на подливку из раствора и раскрепляют оттяжками. На установленном изделии укрепляют на растворе верхнюю распределительную плиту, размещают верхние шарнирные опоры и верхнюю распределительную балку и раскрепляют их оттяжками. На ригеле укрепляют траверсу так, чтобы между ней и распределительной балкой помещались домкраты. Далее устанавливают домкраты, к которым подключают насосную станцию. Вокруг стенда ставят защитное ограждение. Перед пробным включением домкратов проверяют правильность установки изделия по схеме испытаний.

6. Установка измерительных приборов

При подготовке к испытанию на изделии выбирают места установки приборов и определяют их количество и номенклатуру, т. е. составляют схему установки приборов с указанием их типа и характеристик. При составлении схемы учитывают характер работы изделия под нагрузкой, например внецентренное сжатие колонны, изгиб консольной балки, изгиб свободно опертой плиты, который определяется расчетной схемой испытания. При этом также учитываются следующие положения:

1) измерения наиболее ответственных параметров, определяющих работоспособность сооружения, следует дублировать для исключения возможности ошибок, применяя приборы различного принципа действия. Так, например, прогиб ферм, измеренный с помощью прогибомеров, целесообразно измерять также путем нивелирования;

2) к группам однотипных приборов добавляется контрольный прибор, находящийся в тех же условиях, но расположенный на элементе, не участвующем в работе сооружения. Изменение показателей контрольного прибора позволяет учесть влияние внешних факторов на результаты измерений и внести в них соответствующие поправки;

Испытание тавровой балки в испытательном стенде

3) в то же время не следует без особой в этом необходимости увеличивать общее число устанавливаемых приборов, т.к. лишние приборы удлиняют время снятия отсчетов и, не принося особой пользы, усложняют проведение испытаний и обработку их результатов;

4) при прочих равных условиях приборы нужно устанавливать там, где измеряемые показатели достигают наибольших значений. Нецелесообразно ставить приборы в зоне "нулевых" отсчетов (например, тензометры вдоль нейтральной оси изгибаемого элемента), поскольку даже небольшие погрешности измерений в данном случае будут сильно искажать получаемые результаты.

Схемы размещения приборов при измерении прогибов, углов поворота и деформаций с целью оценки одноосного, плоского и сложного напряженного состояний исследуемой расчетной среды показаны соответственно на рис. 61, 62, 63.

Установка приборов для измерения углов наклона:

1, 2- клинометры; 3 - начальное положение оси балки; 4 - упругая линия изогнутой оси балки



Схема установки приборов на испытуемой балке:Т - тензометры, И - индикаторы, П - прогибомер (цифрами обозначены номера приборов, в скобках - номера приборов, установленных с обратной стороны балки)

Расстановка тензометров по периметру поперечного сечения стержней: 1 - 4 - тензометры, установленные перпендикулярно плоскости сечения

. Размещение тензорезисторов в двухмерном поле деформаций: а - под углом 90; б - прямоугольная розетка; в - равноугольная дельта-розетка; г - Т - дельта-розетка

Измерение фибровых деформаций при оценке сложного напряженного состояния является наиболее сложной задачей, как в методическом, так и в экспериментальном плане, поскольку измерительные приборы должны быть расположены в толще материала и присутствие их не должно вызывать искажений поля напряжений в исследуемой точке. Направление деформаций в материале в общем случае неизвестно. Для определения величин главных деформаций (3 параметра) и их ориентации (также 3 параметра) требуется установка в зоне каждой исследуемой точки не менее шести приборов.

...