Способ экспериментального определения динамических догружений в рамно-стержневых конструктивных системах и устройство, реализующее его
METHOD OF EXPERIMENTAL DETERMINATION OF DYNAMIC ADDITION LOADING IN FRAME-ROD STRUCTURAL SYSTEMS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Предлагаемое изобретение относится к области строительства и предназначено для испытаний плоских и пространственных рамно-стержневых конструктивных систем на живучесть, в частности экспериментального определения динамических догружений в элементах конструктивной системы при внезапном выключении из работы одного из несущих элементов.
Известен способ для испытания рамно-стержневых конструктивных систем, в частности для экспериментального определения динамического догружения в преднапряженной арматуре железобетонных элементов рамно-стержневых конструктивных систем (см. Пат. 2393452 Российская Федерация, МПК G01M 19/00. Способ экспериментального определения динамического догружения в преднапряженной арматуре железобетонных элементов рамно-стержневых конструктивных систем / Н.В. Клюева, Н.Б. Андросова, Д.В. Кудрина, опубл. 27.06.2010, Бюл. №18. – 8 с.), включающий закрепление опорных стоек и их жесткое соединение с ригелями в узлах рамно-стержневой системы с помощью соединительных элементов, создание предварительного напряжения в рабочей арматуре ригеля, загружение рамно-стержневой системы заданной проектной статической нагрузкой. При нагружении конструктивной системы в прокалиброванных соединительных элементах возникают растягивающие усилия, и при определенном уровне нагрузки происходит хрупкий разрыв соединительного элемента, и в элементах конструктивной системы создается динамическое догружение.
Недостаток данного способа заключается в том, что используемый сварной соединительный элемент, калиброванный под заранее фиксированное усилие хрупкого разрыва по сварному шву, не позволяет с высокой точностью определять величину усилия, вызывающего динамическое догружение,  при котором происходит выключение этого элемента.
Известен также способ определения динамических догружений путем выключения конструкции центральной стойки (см. Пат. 2437074 Российская Федерация, МПК G01М 99/00. Способ экспериментального определения динамических догружений в железобетонных рамно-стержневых системах от внезапного выключения линейной  связи / Н.В. Клюева, А.С. Бухтиярова, опубл. 20.12.2011. Бюл. №35. – 5 с.). Способ реализуется путем закрепления опорных стоек, жесткого или шарнирного соединения ригелей и стоек в узлах рамно-стрежневой системы, одну из стоек  изготавливают телескопической путем соединения двух металлических труб бетонной шпонкой с заранее рассчитанным в ней усилием на срез.  При загружении рамно-стержневой системы заданной проектной статической нагрузкой через нагрузочные устройства происходит внезапное хрупкое разрушение бетонной шпонки и выключение телескопической стойки – линейной связи из работы системы.
Недостатком данного технического решения является то, что производимое при испытании загружение рамно-стержневой системы заданной проектной статической нагрузкой через нагрузочные устройства и  создаваемое с помощью разрушения бетонной стойки динамическое догружение в элементах конструктивной системы также не обеспечивает точное определение усилия в выключающейся стойке. Происходит это из-за того, что приложенное динамическое догружение создается разрушением бетонной шпонки путем ее среза по нескольким плоскостям и возможны перекосы при срезе шпонки. При этом сложно точно обеспечить калибровку таких шпонок на разрушающее усилие по нескольким плоскостям среза.
Известно также изобретение, которое относится к телескопической опорной стойке для области строительства (см. Пат. 2526949 Российская Федерация, МПК E01G 25/04. Телескопическая опорная стойка для области строительства / Хандвест Вернер, Хенке Ларс, Шпехт Рудольф, Пери ГМБХ, опубл. 27.08.2014, Бюл. №24. – 8 с.), содержащее наружную трубу и расположенную в ней с возможностью осевого перемещения внутреннюю трубу, защищенную посредством предохранительного устройства от удаления из наружной трубы, при этом предохранительное устройство содержит расположенный на наружной трубе стопорный элемент, с которым приводится в контакт по меньшей мере одно средство стопорения, расположенное на внутренней трубе.
Недостатком изобретения является то, что при использовании его в загружении рамно-стержневой системы заданной проектной статической нагрузкой через нагрузочные устройства невозможно осуществить внезапное выключение телескопической стойки – линейной связи из работы системы. Также изготовление описанной телескопической опорной стойки является технологически трудоемким и поэтому дорогостоящим.
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в создании способа и устройства, реализующего экспериментальное определение динамических догружений в железобетонных рамно-стержневых системах, позволяющего с высокой точностью определять  значение усилия в выключаемом элементе и соответственно динамическое догружение в оставшихся неразрушенными элементах конструктивной системы, использование более простого технического решения данного устройства для удобства и мобильности в лабораторных испытаниях, снижение трудоемкости.
Способ достигается тем, что при экспериментальном определении динамических догружений в железобетонных рамно-стержневых системах с внезапно выключаемым несущим элементом, изготавливается устройство в виде подвижного шарнирно-стержневого механизма, из двух расположенных вертикально и шарнирно соединенных между собой и с опорами стержней, геометрическая неизменяемость которого обеспечивается неподвижной опорой и горизонтальной связью в виде шпильки с резьбой, удерживаемой в проектном положении посредством болтового соединения. В состав шарнирно-стержневого механизма входит сжатая пружина заданной жесткости, с помощью которой обеспечивается упругая фиксация в проектном положении среднего шарнира механизма. При нагружении испытываемой конструктивной системы заданной статической нагрузкой через загрузочные устройства, при заданном значении испытательной нагрузки в шарнирно-стержневом механизме, моделирующем выключаемый несущий элемент конструктивной системы, принудительно отключается горизонтальная связь путем разъединения резьбового соединения шпильки и неподвижной части опоры. При этом сжатая пружина мгновенно создает горизонтальное усилие, выталкивающее в горизонтальном направлении шарнир, соединяющий вертикально расположенные стержни шарнирно-стержневого механизма.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид испытания пространственной рамно-стержневой конструктивной системы с приложенной через нагрузочные устройства статической нагрузкой на несущие элементы конструктивной системы; на фиг. 2 - схема шарнирно-стержневого механизма моделирующего выключаемую из работы центральную стойку конструктивной системы; на фиг. 3, 4, 5 - узлы (А, Б, В) шарнирно-стержневого механизма.
Способ реализуется путем закрепления неподвижных 1 и выключающейся центральной 2 несущих стоек конструктивной системы, жесткого или шарнирного соединения ригелей 4 и стоек 1,2 в узлах 5 рамно-стержневой системы, монтажа нагрузочных устройств 6, изготовления выключающейся центральной стойки 2 в виде шарнирно-стержневого механизма из двух вертикально расположенных шарнирно соединенных между собой нижнего и верхнего несущих элементов, удерживаемых в проектном положении горизонтальной связью, выключение которой при заданном уровне нагружения конструктивной системы и ее стойки заданной проектной статической нагрузкой через нагрузочные устройства создает горизонтальное усилие, мгновенно выключающее центральную стойку из работы конструктивной системы загружения железобетонной рамно-стержневой системы.
Устройство, моделирующее выключающуюся центральную стойку 2 конструктивной системы, содержащее  шарнирно-стержневой механизм, в  состав которого входят опорные элементы 8,9, шпилька 10, на которую жестко закреплен нижний несущий элемент 11 шарнирно-стержневого механизма, сверху на элементе установлена пластина 12 с профрезированной полусферой для центрального шарового шарнира 13, в которую установлен  металлический шар 14, на котором сверху через пластину 15, аналогичную пластине 12, присоединен к пластине 15 верхний несущий элемент 16, вверху этого элемента расположен специальный регулировочный болт 17, на котором установлена опорная пластина 18, имеющая сверху профрезированную полусферу, в полусфере пластины 18 установлен металлический шар 19, который сверху накрыт опорной пластиной 20, которая с помощью регулировочного болта 17 подведена под нижнюю плоскость ригеля 4, установлена неподвижная стойка 21 для фиксации нижнего и верхнего несущих шарнирно опертых стержневых элементов 11 и 16, в верхней зоне которой установлена шпилька 22, которая закручена в нижний несущий элемент 11, удерживая его в вертикальном положении, сжатая пружина 23, с помощью которой обеспечена упругая фиксация в проектном положении среднего шарнира механизма.
Устройство, реализующее способ экспериментального определения динамических догружений в рамно-стержневых конструктивных системах, работает следующим образом. Устанавливают неподвижные 1 и выключающуюся центральную 2 несущие стойки конструктивной системы на опорные балки 3 и производят соединение ригелей 4 и стоек 1, 2 в узлах 5 сопряжения, то есть производится сборка испытываемой конструктивной системы. Производится монтаж нагрузочных устройств 6 для нагружения конструктивной системы испытательной нагрузкой 7. Устройство, моделирующее выключающуюся центральную стойку 2, устанавливают на опорные балки 3 и с помощью монтажных элементов 8, 9 закрепляют на опорной балке 3. Через опорные элементы 9 пропускается шпилька 10, на которую как на шарнир опирается нижний несущий элемент 11 шарнирно-стержневого механизма. Сверху на этот элемент приваривается пластина 12 с профрезированной полусферой 13 для центрального шарового шарнира. Затем в эту полусферу пластины 12 устанавливается металлический шар 14, на который сверху через пластину 15, аналогичную пластине 12, устанавливают приваренный к пластине 15 верхний несущий элемент 16. Вверху этого элемента находится специальный регулировочный болт 17, на котором приварена опорная пластина 18, имеющая  сверху профрезированную полусферу, в полусферу пластины 18 устанавливается металлический шар 19, который сверху накрывается опорной пластиной 20, которая с помощью регулировочного болта 17 подводится под  нижнюю плоскость ригеля 4, испытываемой конструктивной системы. Для фиксации нижнего и верхнего несущих шарнирно опертых стержневых элементов 11 и 16 шарнирно-стержневого механизма в вертикальном проектном положении на опорную балку 3 устанавливается и жестко соединяется с ней неподвижная стойка 21, в верхней зоне которой устанавливается шпилька 22, которая с установленной на нее подпорной пружиной закручивается в нижний несущий элемент 11 и удерживает его в вертикальном проектном положении.
После приложения к испытуемой конструктивной системе испытательной нагрузки для внезапного выключения центральной стойки 2 используется шпилька 22. При заданной расчетной нагрузке производится выкручивание шпильки 22 из нижнего несущего элемента 11, и в момент выхода шпильки 22 из элемента 11 с помощью пружины 23 создается горизонтальное усилие, благодаря которому трехшарнирный механизм центральной несущей стойки 2 мгновенно выключает эту стойку из работы конструктивной системы. При этом в несущих элементах испытуемой конструктивной системы   возникает динамическое догружение.
Описанный способ позволяет экспериментально достаточно строго определять усилие в мгновенно  выключаемой несущей стойке, фиксировать время процесса динамического догружения конструктивной системы и соответственно по этим параметрам рассчитывать приращение динамических догружений конструктивных систем при оценке их живучести.