СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА КРАТКОВРЕМЕННОЕ ДИНАМИЧЕСКОЕ СЖАТИЕ
STAND TO TEST REINFORCED CONCRETE ELEMENTS FOR SHORT-DURATION DYNAMIC COMPRESSION

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к машинам для испытания образцов на центральное, внецентренное и косое внецентренное сжатие при ударных нагрузках, преимущественно бетонных или железобетонных образцов.
Аналогом заявляемого устройства является стенд для ударных испытаний материалов на прочность по патенту РФ на изобретение №2047140. Стенд включает в себя вертикальные направляющие, на которые установлены верхняя, промежуточная и нижняя траверсы, имеется механизм подъема и сброса траверсы с испытываемыми образцами. На нижней и верхней траверсе имеются захваты, которые установлены соосно, а ось захватов, размещенных на промежуточной траверсе, перпендикулярна осям остальных захватов. Также стенд снабжен платформами, установленными на верхней и промежуточной траверсах с возможностью вращения соответственно вокруг вертикальной и горизонтальной оси, и колесами, кинематически связывающими платформы с направляющими, при этом захваты закреплены на платформах. Промежуточная траверса связана с нижней траверсой силовой пружиной, а связь колес с платформой осуществляется червячной парой. Данным стендом обеспечивается проведение испытаний при взаимодействии образцов, нагружаемых сжатием и изгибом, и при вращении взаимодействующих образцов вокруг своих осей. При этом на данном стенде можно испытывать только образцы материалов.
Однако данный стенд не дает возможности исследовать работу железобетонных элементов при внецентренном и косом внецентренном кратковременном динамическом сжатии.
Также известен стенд для испытаний материалов на ударное сжатие по патенту РФ на изобретение №1499165. Стенд содержит основание с вертикальными направляющими, верхнюю и нижнюю платформы, которые установлены на направляющих с возможностью перемещения навстречу друг к другу и соединены между собой посредством гибких тяг, огибающих барабаны, установленные на основании, захват для крепления образца, установленный на нижней платформе со стороны, обращенной к верхней платформе, и устройство для фиксации верхней платформы. Установка снабжена промежуточной платформой, неподвижно установленной между верхней и нижней платформами, дополнительным захватом для второго образца, установленным на промежуточной платформе со стороны, обращенной к верхней платформе, с возможностью перемещения навстречу верхней платформе и взаимодействия с образцом нижней платформы через промежуточный элемент, ограничителем деформации, установленным между верхней и промежуточной платформами, устройством для фиксации нижней платформы в исходном положении и силовыми пружинами, через которые тяги соединены с платформами. Груз может быть закреплен на верхней платформе, которая представляет собой траверсу, для увеличения энергии удара по образцам через второй промежуточный элемент. В платформах выполнены отверстия для прохода пружин при их растяжении. Данный стенд относится к установкам для испытания образцов горных пород и других материалов на ударную прочность. В реальных условиях эксплуатации сжатых железобетонных элементов, например колонн, имеются опоры с заделкой в основание и шарнирным опиранием верхней части. Испытание образцов сжатых элементов на ударные нагрузки, когда удар приходится на свободный конец образца, не дает реальной картины работы при ударе, что отрицательно сказывается на исследовании его напряженно-деформированного состояния. Кроме этого в образце при сжатии образуются изгибающие моменты. Поскольку стенд не позволяет проводить испытание конструкций с учетом условий закрепления в основании и у верха испытываемых образцов, то становится невозможным воссоздать реальную картину происходящих в железобетонных колоннах процессов при кратковременном динамическом нагружении. Кроме того, это устройство не дает возможности прикладывать кратковременную динамическую нагрузку к образцу с эксцентриситетами в какой-либо из плоскостей. Все это снижает точность исследований образцов на кратковременное динамическое сжатие.
Наиболее близким известным устройством, принятым за прототип, является стенд для испытания бетонных и железобетонных элементов на продольное центральное и внецентренное кратковременное динамическое сжатие по патенту РФ на изобретение №2315969.
Данный стенд содержит установленные на опорном основании вертикальные направляющие, на которых с возможностью вертикального возвратно-поступательного перемещения закреплена траверса с грузом, и узел крепления нижнего конца испытываемого образца. Также он содержит оголовок, надетый на верхний конец испытываемого образца, две полые цилиндрические насадки, горизонтально установленные по обе стороны от испытываемого образца, каждая из которых неподвижно соединена с соответствующей ее стороне вертикальной направляющей, и два штока, размещенных в полостях соответствующих насадок по всей длине до упора с возможностью кручения в двух взаимно противоположных направлениях, при этом свободные концы штоков неподвижно соединены с оголовком, а нижний конец испытываемого образца снабжен дополнительной опорой, посредством которой он неподвижно закреплен на опорном основании стенда, кроме этого на оголовке установлен дополнительно введенный силоизмеритель, а опорное основание установлено на силовом полу. В частных случаях цилиндрические насадки соединены с вертикальными направляющими с помощью муфт, установленных на этих направляющих. Муфты также служат и страховкой при испытании образцов. Кроме этого стенд снабжен пластиной для распределения напряжений на силовой пол, которая установлена под дополнительной опорой, а дополнительная опора защемлена на опорном основании посредством крепежных уголков. Силоизмеритель установлен на оголовке через накладку, жестко закрепленную на оголовке с помощью болтов, данная накладка является съемным элементом конструкции стенда и служит для задавания эксцентриситета приложения нагрузки.
Данный стенд позволяет проводить испытание железобетонных колонн на центральное и внецентренное кратковременное динамическое воздействие с учетом введенных дополнительных элементов оголовка и нижней опорной базы, которые имитируют защемление испытуемого образца колонн как в реальных условиях. Предложенная конструкция, таким образом, позволяет создать напряженно-деформированное состояние, приближенное к условиям эксплуатации, и тем самым повысить точность исследований, но данный стенд не позволяет производить испытания железобетонных элементов на косое внецентренное кратковременное динамическое воздействие с заданными величинами эксцентриситетов в двух горизонтальных плоскостях. В известном стенде верхний конец железобетонного элемента за счет вертикальных направляющих имеет шарнирное закрепление, но он не позволяет варьировать жесткий и шарнирный варианты закрепления железобетонного элемента в нижней части, а также измерять опорную реакцию при испытании, которая, в свою очередь, позволяет определять энергию разрушения конструкции.
Задача изобретения состоит в том, чтобы повысить точность исследований железобетонных элементов с учетом конструктивных особенностей работы колонн в реальных условиях, а также расширить функциональные возможности устройства при исследованиях.
Технический результат при решении поставленной задачи заключается в создании напряженно-деформированного состояния, характеризующегося действием центральной, внецентренной или косой внецентренной кратковременной динамической нагрузки на шарнирно опертый с обоих концов или защемленный с одной стороны и шарнирно опертый с другой стороны испытуемый образец с возможностью измерения опорной реакции.
Технический результат достигнут следующим образом. Заявляемый стенд имеет общее с прототипом то, что он содержит: силовой пол, на котором жестко закреплено опорное основание, установленные на опорном основании вертикальные направляющие, на которых с возможностью вертикального возвратно-поступательного перемещения закреплена траверса с падающим грузом. Стенд содержит опору для установки испытываемого образца, оголовок, надетый на верхний конец испытываемого образца, две полые цилиндрические насадки, горизонтально установленные по обе стороны от испытываемого образца и каждая из которых неподвижно соединена с соответствующей ее стороне вертикальной направляющей, и два штока, размещенных в полостях соответствующих насадок по всей длине до упора с возможностью кручения в двух взаимно противоположных направлениях, при этом свободные концы штоков неподвижно соединены с оголовком. Кроме этого стенд содержит силоизмеритель, установленный на оголовке.
Заявляемое устройство отличается от прототипа тем, что оно дополнительно содержит еще один силоизмеритель, установленный снизу испытываемого образца, а верхний силоизмеритель снабжен оголовком, который через металлический шарик посредством зажимных элементов закреплен на оголовке испытываемого образца. Для размещения металлического шарика оголовок верхнего силоизмерителя имеет центральный паз, а оголовок испытываемого образца - центральный и внецентренные пазы. Опора для установки испытываемого образца состоит из ограничителя горизонтальных перемещений, например металлического, жестко закрепленного на опорном основании, и опорного башмака, в котором жестко закреплен нижний конец испытываемого образца. Нижний силоизмеритель установлен внутри ограничителя горизонтальных перемещений и на него опирается опорный башмак.
В частных случаях цилиндрические насадки соединены с вертикальными направляющими с помощью муфт, установленных на этих направляющих. Муфты также служат и страховкой при испытании образцов. При этом опорное основание закреплено к силовому полу через ручьи силового пола.
В частных случаях опорный башмак может быть жестко оперт на нижний силоизмеритель (для этого к нижней пластине (основанию) опорного башмака добавляются дополнительные вертикальные металлические элементы (пластины)) или шарнирно оперт на нижний силоизмеритель (для этого, например, опорный башмак имеет нижнюю пластину с закругленными краями), что расширяет область применения стенда.
Зажимные элементы могут быть выполнены в виде болтов, а в оголовках верхнего силоизмерителя и испытываемого образца выполнены отверстия для установки болтов в зависимости от заданных величин эксцентриситетов в двух горизонтальных плоскостях.
Данный стенд позволяет проводить испытание железобетонных образцов на центральную (шарик находится в центральном пазе оголовка железобетонного образца), внецентренную (шарик расположен на одной оси симметрии оголовка железобетонного образца) и косую (шарик расположен ни на одной оси симметрии оголовка железобетонного образца) внецентренную кратковременную динамическую нагрузку. Наличие металлического шарика позволяет контролировать соосное расположение металлического шарика и верхнего силоизмерителя. С помощью металлического шарика, в сочетании с расположением прижимных болтов в отверстиях оголовков, варьируется заданная величина эксцентриситетов в двух горизонтальных плоскостях.
Установленный в нижней части силоизмеритель позволяет измерить опорную реакцию. Измеренная опорная реакция позволяет определять энергию разрушения конструкции, которая равняется разности энергий:
р
п
к
E=E-E,
п
где Е - первоначальная энергия, приходящаяся на верх конструкции при динамическом нагружении, замеренная при помощи силоизмерителя, установленного сверху железобетонной конструкции;
к
E - конечная энергия, замеренная силоизмерителем, установленным снизу железобетонного элемента.
Предложенная конструкция позволяет создать в железобетонном элементе напряженно-деформированное состояние, приближенное к тому, которое возникает в условиях эксплуатации, и замерить опорную реакцию, тем самым повысив точность исследований.
Изобретение промышленно применимо, поскольку его можно многократно реализовать с достижением указанного технического результата.
Авторами и заявителем не выявлены из уровня техники технические решения, в которых железобетонный элемент при испытании на кратковременное динамическое сжатие был закреплен так, как в заявляемом стенде, и имелась возможность замерить опорную реакцию. Все это дает основание судить о наличии изобретательского уровня у заявляемого устройства, поскольку оно явным образом не следует из уровня техники.
Изобретение пояснено чертежами.
На фиг.1 изображен общий вид стенда для испытания железобетонных элементов на кратковременное динамическое сжатие (общий вид). На фиг.2 - то же, вид спереди, на фиг.3 - узел А фиг.1, на фиг.4 - узел Б фиг.2 в случае шарнирного опирания опорного башмака на нижний силоизмеритель, на фиг.5 - узел Б фиг.2 в случае жесткого опирания опорного башмака на нижний силоизмеритель, на фиг.6 показаны оголовки железобетонного образца и силоизмерителя с пазами под металлический шарик, на фиг.7 - оголовок силоизмерителя с металлическим шариком, на фиг.8 - оголовок железобетонного образца.
Стенд для испытания железобетонных элементов на кратковременное динамическое сжатие содержит силовой пол 1, на котором установлено опорное основание - опорная пластина 2, служащая для распределения напряжений на силовой пол 1.
На опорной пластине 2 жестко установлен ограничитель горизонтальных перемещений 3 и нижний (опорный) силоизмеритель 4, на который через опорный башмак 5 установлен железобетонный элемент 6, с возможностью зажатия при помощи болтов 7 через защемляющие пластины 8. В частных случаях опорный башмак 5 может иметь нижнюю пластину с закругленными краями для создания шарнирного опирания на нижний силоизмеритель 4 (фиг.4) или к нижней пластине опорного башмака добавляются дополнительные вертикальные металлические элементы (пластины) 9 для создания жесткого опирания его на нижний силоизмеритель 4 (фиг.5).
На испытываемый железобетонный элемент 6 установлен оголовок 10, соединенный с помощью зажимных болтов с гайками 11 с оголовком силоизмерителя 12, в который установлен силоизмеритель 13.
К оголовку 10 с двух сторон с помощью болтов закреплены два штока 15 цилиндрической формы, которые размещены внутри цилиндрических насадок 16. Соединения штоков 15 с цилиндрическими насадками 16 представляет собой ползунковый упор (фиг.3). Цилиндрические насадки 16 закреплены с помощью болтов к крепежным муфтам 17, которые с помощью резиновых прокладок установлены на направляющие 18. Направляющие 18 имеют опорное основание 19, с помощью которого защемлены к ручьям 20 силового пола 1. Динамическая нагрузка создается при помощи массы падающего груза 21.
Между оголовком 10 и оголовком силоизмерителя 12 в специальных пазах, устроенных с заданным шагом, расположен металлический шарик 14, используемый для точного приложения нагрузки на железобетонный элемент с заданными эксцентриситетами в обоих плоскостях.
Позицией 22 на фиг.8 показан центральный паз, а поз.23 - внецентренные пазы для металлического шарика. В оголовках 10, 12 выполнены отверстия 24 для прижимных болтов 11.
Работа стенда для испытания железобетонных элементов на кратковременное динамическое сжатие заключается в следующем. Испытываемый железобетонный элемент 6 устанавливается в опорный башмак 5 на опорный силоизмеритель 4, который, в свою очередь, расположен в металлическом ограничителе горизонтальных перемещений 3. Железобетонный элемент зажимается в опорном башмаке 5 при помощи болтов 7 через защемляющие пластины 8. В зависимости от выбранной схемы испытания (жесткое или шарнирное опирание соответственно) опорный башмак 5 может иметь нижнюю пластину с закругленными краями для создания шарнирного опирания (фиг.4) или к нижней пластине опорного башмака добавляются дополнительные вертикальные металлические элементы (пластины) 9 для создания жесткого опирания образца (фиг.5). Затем на железобетонный элемент 6 устанавливается оголовок 10, к которому привинчивается при помощи зажимных болтов с гайками 11 оголовок силоизмерителя 12, служащий для установки силоизмерителя 13, через который при помощи падающего груза 21 прикладывается динамическая нагрузка. При этом между оголовком 10 и оголовком силоизмерителя 12 в специальных пазах, устроенных с заданным шагом, расположен металлический шарик 14. Оголовок силоизмерителя 12 имеет один центральный паз под металлический шарик 14, а оголовок железобетонного образца 10 - центральный паз и внецентренные пазы. Наличие одного паза в оголовке силоизмерителя 12 позволяет контролировать соосное расположение шарика 14 и силоизмерителя 13. Расположением металлического шарика 14 в оголовке железобетонного образца 10 варьируется заданная величина эксцентриситетов в двух горизонтальных плоскостях. Кроме пазов для металлического шарика 14 в оголовке железобетонного образца 10 и оголовке силоизмерителя 12 имеются отверстия 24, в которых устанавливаются болты 11. Размещением болтов 11 в отверстиях 24, в сочетании с расположением металлического шарика 14, варьируется величина эксцентриситета. Далее необходимо установить ползунковый упор, состоящий из штока 15 и цилиндрической насадки 16, которые крепятся болтами к оголовку 10 и крепежным муфтам 17. Груз 21 подвешивается на нужную высоту на направляющих 18, а затем отпускается. При соударении груза 21 с силоизмерителем 13 создается кратковременная динамическая нагрузка. Силу удара можно регулировать уровнем поднятия груза 21, а также его массой. Время действия нагрузки можно растягивать во времени путем введения резинового демпфера между силоизмерителем 13 и падающим грузом 21. Место приложения кратковременной динамической нагрузки на железобетонный элемент 6 можно варьировать путем установки металлического шарика 14 в необходимые пазы оголовка 10 и оголовка силоизмерителя 12. Ползунковый упор, состоящий из штока 15 и цилиндрической насадки 16, предотвращает смещение по горизонтали, но не препятствует повороту вокруг осей упора в двух взаимно противоположных направлениях, что позволяет возникать изгибающим моментам в железобетонном элементе 6. В ходе испытания при помощи силоизмерителя 13 измеряется действующая динамическая нагрузка, а опорный силоизмеритель 4 используется для фиксации опорной реакции. Измеренная опорная реакция позволяет при разрушении образца определять энергию разрушения конструкции, которая равняется разности энергий:
р
п
к
E=E-E,
п
где E - первоначальная энергия, приходящаяся на верх конструкции при динамическом нагружении, замеренная при помощи силоизмерителя 13, установленного сверху железобетонной конструкции 6;
к
E - конечная энергия, замеренная силоизмерителем 4, установленным снизу железобетонного элемента 6.
Для получения данных о напряженно-деформированном состоянии испытываемого железобетонного элемента используется комплекс стандартных измерительных приборов.