АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА СОВМЕСТНОЕ ДЕЙСТВИЕ ИЗГИБАЮЩИХ МОМЕНТОВ, ПРОДОЛЬНЫХ И ПОПЕРЕЧНЫХ СИЛ ПРИ КРАТКОВРЕМЕННОМ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

Полезная модель относится к испытательной технике, а именно к машинам для испытания образцов при совместном действии однократного динамического нагружения в виде изгибающих моментов или поперечных сил и продольной статической силы в виде сжатия или растяжения, преимущественно бетонных и железобетонных элементов.
Аналогом заявляемого устройства является стенд для испытания бетонных и железобетонных элементов на продольное центральное и внецентренное кратковременное динамическое сжатие по патенту РФ на изобретение (патент RU №2315969, G01N 3/30, опубл. 2008.01.27.) Стенд для испытания бетонных и железобетонных элементов на продольное центральное и внецентренное кратковременное динамическое сжатие содержит силовой пол, на котором установлена пластина, служащая для распределения напряжений на силовой пол. На крепежные уголки смонтирована дополнительная опора, которая служит для жесткой установки испытываемого бетонного или железобетонного образца. На испытываемый образец установлен оголовок, соединенный с помощью болтов с накладкой, в которую установлен силоизмеритель. К оголовку с двух сторон с помощью болтов закреплены два штока цилиндрической формы, которые размещены внутри цилиндрических насадок. Соединение штока с насадкой представляет собой ползунковый упор. Насадки закреплены с помощью болтов к крепежным муфтам, которые с помощью резиновых прокладок установлены на направляющие. Направляющие имеют опорное основание, с помощью которого защемлены к ручьям силового пола. Динамическая нагрузка создается при помощи массы падающего груза (траверсы с грузом).
Известное техническое решение позволяет создать напряженно-деформированное состояние в защемленном с обоих концов испытываемом образце при воздействии на него продольного центрального и внецентренного однократного динамического нагружения с заданным значением нагрузки и временем нагружения. Обеспечивается изгибающий момент при центральном и внецентренном сжатии, приближенный к реальным условиям эксплуатации железобетонных конструкций типа колонн.
Однако стенд, выполненный по известному техническому решению, не позволяет обеспечить испытание образцов на совместное действие изгибающих моментов, продольных и поперечных сил при кратковременном динамическом нагружении и обеспечить получение информации о напряженно-деформированном состоянии образца, прогибов, ускорений и опорных реакций в результате суммарного воздействия указанных сил.
Наиболее близким устройством, принятым за прототип, является стенд для испытания железобетонных элементов на действие изгибающих моментов, продольных и поперечных сил при кратковременном динамическом нагружении по патенту РФ на полезную модель (патент RU №90901, G01N 3/08, G01N 3/30, опубл. 20.01.2010). Стенд включает в себя силовой пол, на котором смонтирована копровая установка с грузосбрасывателем, мачты которой снабжены ограничителем хода груза. На торцах железобетонного элемента установлены опорные металлические пластины, в которые упираются сферические элементы. На опорах под железобетонным элементом наклеены тензорезисторы. Стенд также содержит три траверсы, одна из которых, загрузочная, установлена на железобетонном элементе и на ней закреплен силоизмеритель с демпфирующими прокладками, а другие, дополнительные, расположены на опорах по обе стороны от копровой установки и соединены между собой посредством тяжей. Опорные ролики размещены в вырезах опор под железобетонным элементом, причем один - неподвижно, второй - с возможностью горизонтального перемещения. Стенд также содержит пружинный блок, установленный с одного конца железобетонного элемента и выполненный из двух металлических пластин с отверстиями для тяжей, соединяющих дополнительные траверсы. Устройство натяжения выполнено в виде тяжа с метрической резьбой и гаек, закрепленного одним концом в дополнительной траверсе, а другим - в металлической пластине пружинного блока, помимо этого пружинный блок снабжен закрепленным сверху датчиком перемещения. Опоры для дополнительных траверс выполнены с возможностью регулирования их высоты. Стенд содержит также акселерометры, установленные на грузосбрасывателе и силоизмерителе.
Данный стенд позволяет испытывать железобетонные элементы на изгиб с продольным сжатием либо проводить испытание железобетонных элементов на поперечную нагрузку с продольным сжатием. Стенд позволяет создать в испытуемом образце напряженно-деформированные состояния, которые характеризуются действием изгибающего момента или поперечной силой, возникших при однократном динамическом нагружении, одновременно с постоянной статической продольной силой сжатия.
Однако данный стенд не реализует возможности исследовать работу элементов конструкций на косое внецентренное кратковременное динамическое сжатие, растяжение, косой изгиб, не позволяет исследовать образец при продольном статическом растяжении. Также не позволяет измерять перемещения по длине элемента. Продольное усилие на испытуемом железобетонном образце создается вручную, что повышает трудоемкость подготовки эксперимента.
Задача заявляемой полезной модели состоит в том, чтобы расширить функциональные возможности стенда и обеспечить испытание образцов при совместном действии однократного динамического нагружения в виде изгибающих моментов или поперечных сил и продольной силы в виде статического сжатия или растяжения, обеспечить получение информации о напряженно-деформированном состоянии образца, прогибах, ускорениях, опорных реакциях и в условиях статического усилия сжатия или растяжения.
Технический результат при решении поставленной задачи заключается в создании напряженно - деформированного состояния, характеризующийся действием центральной статической продольной силой и поперечной кратковременной динамической нагрузкой на шарнирно опертый испытываемый образец и обеспечении наиболее точных и достоверных результатов путем приближения к реальным условиям, работы элементов конструкций при динамическом нагружении.
Технический результат при реализации полезной модели, обеспечивающий решение поставленной задачи, достигается следующим образом.
Как и устройство по прототипу, заявляемый стенд содержит силовой пол и смонтированные на нем вертикальные направляющие, на которых с возможностью вертикального возвратно-поступательного перемещения закреплена траверса с грузом, узел фиксации груза и грузосбрасыватель. На силовом полу закреплены опоры для железобетонного элемента, одна из которых выполнена шарнирно-подвижной, а другая - неподвижной. На железобетонном элементе установлена загрузочная траверса. Стенд содержит две упорные траверсы, установленные на дополнительных опорах с обоих торцов испытуемого железобетонного элемента и соединенные между собой посредством тяжей, при этом одна из упорных траверс, первая, через полусферу и прокладки примыкает к торцу железобетонного элемента. Как и в прототипе, в состав стенда входит пружинный блок, примыкающий через полусферу и прокладки ко второму торцу железобетонного элемента и выполненный из двух металлических пластин с отверстиями для тяжей, соединяющих упорные траверсы, и пружин, надетых на эти тяжи и установленных между металлическими пластинами до упора. Помимо этого, содержит центрирующий тяж с метрической резьбой, закрепленный одним концом в металлической пластине пружинного блока, и измерительную систему, к которой подключены тензорезисторы, установленные на железобетонном элементе, датчики опорных реакций, установленные на опорах железобетонного элемента, силоизмеритель, закрепленный на загрузочной траверсе, акселерометры, установленные один на грузосбрасывателе, другой - на силоизмерителе, и датчик перемещений, установленный между металлическими пластинами пружинного блока.
В отличие от прототипа заявляемый стенд дополнительно содержит подвижную траверсу, установленную между пружинным блоком и второй упорной траверсой и выполненную с отверстиями для тяжей, соединяющих упорные траверсы и закрепленных на подвижной траверсе с помощью дополнительных гаек. Отличием является также то, что второй конец центрирующего тяжа с метрической резьбой жестко закреплен на дополнительной подвижной траверсе. Кроме этого, стенд согласно полезной модели дополнительно содержит домкрат, установленный между подвижной и второй упорной траверсами, а испытуемый железобетонный элемент с обоих его торцов имеет арматурные выпуски, которые с одного торца пропущены через металлические пластины пружинного блока и жестко закреплены на его наружной пластине, а с другого торца жестко закреплены на первой упорной траверсе. Помимо этого, стенд дополнительно содержит блок управления экспериментом, соединенный с измерительной системой. Кроме этого, опоры для железобетонного элемента закреплены на силовом полу с возможностью перемещения в продольном направлении с целью изменения схемы испытания и в зависимости от размеров экспериментального образца и с последующим их жестким закреплением на силовом полу после перемещения.
Для того, чтобы обеспечить железобетонному элементу с одного конца неподвижное опирание, а с другого конца - шарнирно-подвижное, в опорах для железобетонного элемента могут быть выполнены вырезы в которых установлены ролики, причем в вырезе одной опоры ролик должен быть установлен неподвижно, а в вырезе другой опоры - подвижно. Под железобетонным элементом на роликах целесообразна установка металлических пластин. В частном случае для проведения испытаний железобетонного элемента на косое динамическое нагружение металлические пластины, установленные на роликах, должны быть снабжены уголками, которые приварены ребрами к указанным пластинам, а концы железобетонного элемента в этом случае установлены внутри уголков. Целесообразно также осуществлять установку загрузочной траверсы на железобетонном элементе через металлические пластины, а при установке силоизмерителя использовать демпфирующие прокладки.
Стенд может быть также снабжен системой страховки для ограничения прогиба железобетонного элемента, установленной на расстоянии максимально допустимого его прогиба.
Указанная совокупность технических признаков в известных технических решениях не обнаружена, что подтверждает новизну полезной модели.
Данный стенд имеет следующие преимущества в сравнении с прототипом:
1. Стенд позволяет произвести испытания образцов по виду предварительного статического нагружения: с обжатием, с растяжением, с изгибом.
2. Позволяет менять схему испытания при помощи перемещения опор для железобетонного элемента и изменения условий опирания (закрепления) элемента.
3. Обеспечивает испытание образцов от плоского изгиба до сложного напряженно-деформированного состояния при совместном действии однократного динамического нагружения в виде изгибающих моментов или поперечных сил и продольной силы не только в виде статического сжатия, но и растяжения.
4. Позволяет точно воспроизвести процесс, происходящий в образце при косом внецентренном кратковременном динамическом сжатии (растяжении).
5. Продольное усилие в заявляемом стенде задается домкратом и ограничивается техническими характеристиками домкрата и требованиями эксперимента. Использование домкрата позволяет создать продольную силу необходимой величины, до 12 тонн, тем самым снизить трудоемкость и повысить точность задания величины продольной силы в испытываемом образце.
6. Обеспечивается возможность полной регистрации данных о работе испытываемого образца при косом внецентренном кратковременном динамическом нагружении.
7. Стенд позволяет получить и проанализировать деформации арматуры и бетона, прогибы, ускорения, процесс и характер развития трещин от начала загружения до полного разрушения, обеспечить получение информации о напряженно-деформированном состоянии образца, прогибов, ускорений, опорных реакций и контроля статического усилия сжатия или растяжения.
8. Наличие блока управления облегчает обработку и сопоставление результатов. Автоматизация процесса управления и регистрации параллельного съема данных с первичных преобразователей информации повышает достоверность результатов анализа о работе конструкции.
Таким образом, предложенная конструкция стенда позволяет расширить область испытания железобетонных элементов и создать в испытываемом элементе напряженно - деформированное состояние, приближенное к тому, которое возникает в условиях эксплуатации, и замерить опорную реакцию, тем самым повысив точность исследований.
Полезная модель пояснена чертежами.
На фиг.1 изображен общий вид автоматизированного стенда для испытаний железобетонных элементов при совместном действии изгибающих и крутящих моментов продольных и поперечных сил на кратковременное динамическое нагружение.
На фиг.2 - узел опирания железобетонного образца при испытании на косое нагружение
Автоматизированный стенд для испытаний железобетонных элементов на совместное действие изгибающих и крутящих моментов продольных и поперечных сил при кратковременном динамическом нагружении содержит силовой пол 1 с опорными основаниями 2, на которых установлены вертикальные направляющие 3. На направляющих 3 с возможностью вертикального возвратно - поступательного перемещения закреплена траверса с грузом 4, страховочные элементы 5, узел фиксации груза 6, грузосбрасыватель 7. Силоизмеритель 8 установлен на загрузочную траверсу 9. Траверса 9 через металлические пластины установлена на экспериментальном железобетонном элементе 10, размещенном на опорах 11, одна из которых шарнирно-подвижная. Опоры 11 жестко закреплены на силовом полу 1. К одному торцу испытываемого образца примыкает упорная траверса 12 через полусферу и пакет прокладок 13. К другому торцу испытываемого образца через полусферу и пакет прокладок примыкает первая упорная пластина 14 пружинного блока, к которой через пружины 15 примыкает вторая упорная пластина 16 с закрепленным центрирующим тяжом 17, другой конец которого жестко закреплен на подвижной траверсе 18. Через траверсу 18 проходят тяжи 19, с одной стороны закрепленные на первой упорной траверсе 12 упорными гайками 20, установленной на первой дополнительной опоре 21 жестко закрепленной на силовом полу 1, а с другой стороны закрепленные на второй упорной траверсе 22 упорными гайками 20. Упорная траверса 22 установлена на второй дополнительной опоре 21 жестко закрепленной на силовом полу 1. Между второй упорной траверсой 22 и подвижной траверсой 18 установлен домкрат 23 и на тяжах установлены вспомогательные гайки 24. Для испытания с продольным растяжением экспериметальный образец 10 имеет арматурные выпуски 25, пропущенные с одной стороны через первую 14 и вторую 16 упорные пластины с жестким креплением ко второй упорной пластине 16, а с другой стороны пропущены через первую упорную траверсу 12 с жестким креплением при помощи металлических уголков 26, а упорные гайки 20 установлены на тяжах с упором к первой упорной пластине. Для автоматизации процесса испытания грузосбрасыватель 7 подключен к блоку управления экспериментом 27 с подключенной к нему измерительной системой 28, к которой подключены силоизмеритель 8, датчики перемещений 29, акселерометры, один из которых установлен на грузосбрасывателе 7, другой - на силоизмерителе 8 (на чертеже не показаны), тензорезисторы, установленные на экспериментальном образце 10, датчики опорных реакций, установленные на основных опорах 11 и датчик перемещений 30, закрепленный между первой 14 и второй 16 металлическими пластинами пружинного блока. Датчик 30 фиксирует горизонтальную силу обжатия (растяжения) пружинного блока. При испытании железобетонного элемента на косое нагружение узел опирания железобетонного элемента (фиг.2) включает в себя металлическую пластину 32, установленную на ролике 31 и металлический уголок 33, приваренный ребром к пластине 32.
Полезная модель промышленно применима, поскольку ее можно многократно реализовывать с достижением указанного технического результата.
Работа автоматизированного стенда для испытаний железобетонных элементов на совместное действие изгибающих и крутящих моментов продольных и поперечных сил при кратковременном динамическом нагружении заключается в следующем: железобетонный элемент 10 устанавливается на основные опоры 11, затем центрируется и прижимается упорными траверсами 12, 22, после чего устанавливается загрузочная траверса 9 и система страховочных приспособлений, которые крепятся к страховочным элементам 5. Далее устанавливается силоизмеритель 8 на загрузочную траверсу 9, датчики перемещений 29, акселерометры, датчик перемещений 30, которое вместе с тензорезисторами и датчиками опорных реакций подключаются к измерительной системе 28. Измерительная система 28 в свою очередь подключается к блоку управления экспериментом 27. Затем траверса с грузом 4 при помощи подвесного оборудования 6 крепится к грузосбрасывателю 7 и поднимается на необходимую высоту. После завершения подготовительных работ задается величина продольный силы при помощи домкрата 23, затягиваются упорные гайки 20, а затем снимается домкрат 23. По команде на запуск эксперимента при помощи блока управления экспериментом 27 одновременно срабатывает спусковой механизм грузосбрасывателя 7 (отпускается траверса с грузом 4) и начинается запись данных в измерительной системе 28, при этом в измерительную систему 28 поступают данные со всех установленных датчиков и приборов, что позволяет получить информацию о напряженно-деформированном состоянии экспериментального образца 10 во время эксперимента.
Стенд позволяет также испытывать и получать информацию о напряженно-деформируемом состоянии в случае косого динамического нагружения. Для этого каждая из опор 11 снабжена пластиной 32, установленной на ролике 31, и приваренным к ней уголком 33, внутрь которого помещают конец железобетонного элемента 10. А испытания исследуемого железобетонного элемента 10 после установки железобетонного элемента проводят аналогично описанному выше.