ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИСПЫТАНИЙ КОНСТРУКЦИЙ ДИНАМИЧЕСКИМИ НАГРУЗКАМИ

1.      ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИСПЫТАНИЙ КОНСТРУКЦИЙ ДИНАМИЧЕСКИМИ НАГРУЗКАМИ

 

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

1)  испытание конструкций существующих зданий и сооружений;

2)  испытание строительных деталей серийного изготовления;

3)  научно-исследовательские испытания.

Указанные испытания выполняются с целью:

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

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

-          разработки мероприятий по уменьшению колебаний;

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

-          проверка научных гипотез;

-          проверка несущей способности новых изобретённых конструкций.

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

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

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

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

2)  Сооружения и конструкции, находящиеся в эксплуатации.

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

-в плановом порядке, если это предусмотрено правилами эксплуатации;

-после ремонта и усиления конструкций;

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

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

3)  Строительные конструкции серийного производства.

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

4)  Научно-исследовательские.

Проводятся в основном по следующим направлениям:

-   при применении новых конструктивных решений;

-   при апробации новых методов расчёта;

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

-   при особых режимах эксплуатации.

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

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

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

a)  Несимметричный цикл.

На рисунке 2 введены следующие обозначения:

 - напряжение цикла

(1)

 - амплитуда цикла

(2)

 - коэффициент асимметрии

b)      Симметричный цикл

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

При симметричном цикле среднее напряжение равно нулю.

c)       Пульсирующий цикл

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

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

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

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