Способ испытания строительной конструкции при сверхнормативном ударном воздействии
METHOD OF TESTING A CONSTRUCTION STRUCTURE UNDER SUPER-PROMOTIONAL SHOCK IMPACT

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при испытании элементов или конструкций зданий и сооружений с оценкой их реакции на воздействие сверхнормативных кратковременных динамических нагрузок по величине коэффициента результирующей силы, а также при анализе данных, полученных вследствие мониторинга зданий и сооружений при опасных природных и техногенных воздействиях.
Известен способ испытания конструкции на ударные воздействия (патент RU 2362136, G01M 7/08, опубл. 20.07. 2009 г.), согласно которому предварительно определяют резонансным методом низшую собственную частоту колебаний конструкции, после чего, не меняя положения испытуемой конструкции, производят разрушающий удар, полученные данные обрабатывают и фильтруют высшие гармоники собственных колебаний, соответствующие гармоникам в момент разрушения конструкции, от низшей гармоники, частота которой соответствует измеренной низшей собственной частоте колебаний конструкции. По полученным данным судят о реальных значениях динамических параметров.
Достоинством способа является повышенная точность измерения динамических параметров конструкции в процессе ее разрушения. Однако, хотя способ и позволяет проводить испытания на действие сверхнормативной ударной испытательной нагрузки, не учитывается результирующая сила, воздействующая на испытываемую конструкцию, и не производится оценка реакции конструкции на воздействие по величине коэффициента результирующей силы.
s
d
Прототипом заявляемого изобретения является способ испытания и определения степени живучести строительных конструкций (патент RU 2477459 C1, G01M 7/08 (2006.01), опубл. 10.03.2013), согласно которому сначала резонансным методом определяют низшую собственную частоту колебаний конструкции, затем, не меняя положения испытуемой конструкции, конструкцию подвергают сверхнормативному ударному воздействию, полученные данные обрабатывают с помощью измерительно-вычислительного комплекса и фильтруют высшие гармоники собственных колебаний, соответствующие гармоникам в момент разрушения конструкции, от низшей гармоники, частота которой соответствует измеренной низшей собственной частоте колебаний конструкции, и по полученным данным судят о реальных значениях динамических параметров. После динамического нагружения испытуемую конструкцию дополнительно подвергают пошаговому статическому нагружению до полного ее разрушения и определяют величину остаточной несущей способности q конструкции по разности значения максимальной динамической нагрузки q в момент разрушения конструкции и значения приложенной максимальной статической нагрузки. Дополнительно, например, с помощью лазерной рулетки производят измерения длин строительной конструкции до и после каждого вида нагружения и определяют величины относительных деформаций. Учитывая величины относительных деформаций после динамического и статического нагружения конструкции и величины остаточной несущей способности после испытания и максимальной динамической нагрузки в момент разрушения конструкции, определяют коэффициент степени живучести конструкции.
Достоинством способа является возможность точного измерения динамической нагрузки в момент разрушения строительной конструкции, остаточного ресурса и деформаций строительной конструкции в процессе испытания, но данный способ не учитывает величину результирующей силы в зависимости от времени.
В последние годы все чаще возникает необходимость проектирования железобетонных конструкций, на которые возможно воздействие интенсивных кратковременных динамических сверхнормативных нагрузок. Опасность действия на сооружения ударных волн возрастает вследствие возможных взрывов обычных взрывчатых веществ при их хранении, аварийном падении грузов, террористических актов, природных и техногенных катастроф и т.д. Возникающие при этом специфические нагрузки часто вызывают значительные повреждения конструкций и даже их полное или частичное разрушение, которое может привести к травмам и гибели людей, а также порче дорогостоящего оборудования и, следовательно, значительным материальным затратам.
Из литературных источников (например, Попов Н.Н., Расторгуев Б.С. Динамический расчет железобетонных конструкций М., Стройиздат, 1974, 207 с.) известно, что при кратковременном динамическом нагружении прочность строительных конструкций выше, чем при статическом нагружении, что объясняется изменением физико-механических характеристик бетона и арматуры по сравнению со статическим состоянием. При кратковременном динамическом нагружении происходит неравномерное развитие и определенное запаздывание деформаций по сравнению с результатами статических испытаний.
В связи с этим, при проектировании и расчете несущих железобетонных конструкций учет и определение различных динамических параметров во времени, в том числе величин результирующей силы является актуальной технической проблемой.
Технический результат при реализации изобретения заключается в получении данных о распределении во времени величины результирующей силы и численной оценке результирующей силы в строительной конструкции в процессе ее разрушения по коэффициентам результирующей силы в строительной конструкции при действии сверхнормативной кратковременной динамической ударной испытательной нагрузки.
Технический результат достигается следующим образом. Как и по способу, принятому за прототип, согласно заявленному способу испытуемую конструкцию подвергают сверхнормативному ударному воздействию, силоизмерителем определяют значение максимальной динамической нагрузки в момент разрушения строительной конструкции при ударном воздействии, процесс динамического нагружения регистрируют компьютерной измерительной системой и полученные данные обрабатывают с помощью измерительно-вычислительного комплекса.
s
op,i
s
op,i
smax
В отличие от прототипа фиксируют начало и окончание ударного воздействия, измеряя с помощью силоизмерителя мгновенные значения кратковременной динамической нагрузки q(t) в указанном интервале времени, при этом дополнительно в этом же интервале времени определяют мгновенные значения опорных реакций q(t) с помощью датчиков опорных реакций, установленных симметрично с двух сторон испытываемого образца, затем строят графики зависимостей относительной кратковременной динамической нагрузки  и относительной суммарной опорной реакции  от времени ударного воздействия, где q(t) - мгновенное значения кратковременной динамической нагрузки при сверхнормативном ударном воздействии по показаниям силоизмерителя; q(t) - мгновенное значение показания i-го датчика опорной реакции; q - максимальное значение динамической нагрузки приложенного сверхнормативного ударного воздействия по показаниям силоизмерителя; а также график зависимости коэффициентов результирующей силы k(t) от времени ударного воздействия, при этом мгновенные k(t) и усредненное k значения коэффициентов результирующей силы в строительной конструкции при ударном разрушении определяют по формулам:
где k(t) - мгновенное значение коэффициента результирующей силы в строительной конструкции при ударном разрушении;
1
2
k - усредненное значение коэффициента результирующей силы в строительной конструкции при ударном разрушении на интервале времени t-t;
1
2
t, t - времена начала и окончания ударного воздействия,
n - число датчиков опорных реакций при испытаниях;
s
q(t) - мгновенное значение кратковременной динамической нагрузки при сверхнормативном ударном воздействии по показаниям силоизмерителя;
ор,i
q(t) - мгновенное значение показания i-го датчика опорной реакции;
smax
q - максимальное значение динамической нагрузки приложенного сверхнормативного ударного воздействия по показаниям силоизмерителя; и по коэффициентам результирующей силы и построенным графикам судят о процессе изменения напряженно деформированного состояния строительной конструкции в интервале действия сверхнормативной ударной нагрузки, а также доле тепловых потерь в затраченной энергии на разрушение конструкции.
Экспериментальные исследования показывают, что также имеет место запаздывание опорных реакций относительно действующей нагрузки, это приводит к смещению по времени друг относительно друга пиковых значений кратковременной динамической нагрузки и опорных реакций.
Несмотря на то что согласно принципу Даламбера, система при кратковременном динамическом нагружении в любой момент времени находится в равновесии за счет действия сил инерции, для корректной оценки результатов экспериментальных исследований и обоснования момента наступления предельного состояния в конструкции по зарегистрированным данным необходимо учитывать время запаздывания, а если учесть, что запаздывание во время динамического воздействия не является постоянной величиной, то необходим подход для постоянного отслеживания соотношения значений действующей нагрузки и опорных реакций в процессе динамического воздействия. Такой величиной может служить коэффициент результирующей силы, а детальную информацию об изменении параметров динамической нагрузки и опорных реакций можно получить из построенных графиков.
Применение заявляемого способа по сравнению со способом прототипа позволяет достоверно определить мгновенные и усредненные значения коэффициента результирующей силы.
s
op,i
1
2
В результате обработки данных проведенного экспериментального исследования получают: мгновенные значения силы приложенного сверхнормативного ударного воздействия (кратковременной динамической нагрузки) по показаниям силоизмерителя - q(t) и мгновенные значения показаний каждого из n датчиков опорной реакции q(t) на интервале времени от t до t (времена начала и окончания ударного воздействия).
Нужно отметить, что для регистрации значений сверхнормативной кратковременной динамической нагрузки обычно необходимо и достаточно одного силоизмерителя, а для фиксации значений опорных реакций может использоваться любое четное число датчиков (для линейных конструкций при двух опорах).
s
op,i
smax
Для перевода полученных данных в относительные величины каждое из мгновенных значений q(t) и q(t) делится на q - максимальное значение силы приложенного сверхнормативного ударного воздействия по показаниям силоизмерителя.
Перевод в относительные величины необходим для удобства использования данных при сопоставительном анализе с результатами серии аналогичных испытаний.
s
Определение мгновенного значения коэффициента результирующей силы k(t) производится путем нахождения разности между мгновенным значением силы q(t) и суммой мгновенных значений n датчиков опорных реакций, деленной на максимальное значение силы, т.е.
1
2
Определение усредненного значения коэффициента результирующей силы k на временном интервале от t до t производится путем нахождения разности между площадью, ограниченной графиком силы с временной осью, и площадью, ограниченной графиком суммарной опорной реакции с временной осью, деленной на площадь, ограниченную графиком силы с временной осью, т.е.
Указанная совокупность технических признаков, характеризующая заявленный способ, получена впервые и в известных технических решениях не обнаружена, что подтверждает новизну изобретения. Изобретение соответствует условию изобретательского уровня, поскольку явным образом предложенное техническое решение не следует из уровня техники. Не выявлены из уровня техники решения, которые имеют признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного способа.
Изобретение промышленно применимо, поскольку его можно многократно использовать при испытании строительных элементов или конструкций зданий, сооружений при сверхнормативных кратковременных динамических ударных нагрузках, а также при анализе данных полученных вследствие мониторинга зданий и сооружений при опасных природных и техногенных воздействиях.
Применение предложенного способа рассмотрено на конкретном примере испытания изгибаемого железобетонного элемента на кратковременное сверхнормативное динамическое воздействие.
На фиг. 1 изображен стенд для испытания изгибаемого железобетонного элемента на сверхнормативное кратковременное динамическое воздействие (фото).
На фиг. 2 изображен силоизмеритель для определения значения кратковременной динамической нагрузки.
На фиг. 3 показаны датчики опорных реакций, установленные в опоре (фото).
На фиг. 4 изображен изгибаемый железобетонный элемент после сверхнормативного кратковременного динамического воздействия (фото).
На фиг. 5 изображены графики изменения относительно кратковременной динамической нагрузки и относительной суммарной опорной реакции во времени в процессе кратковременного сверхнормативного динамического воздействия для изгибаемого железобетонного элемента, а также график изменения значений коэффициента результирующей силы во времени.
Способ выполняют следующим образом.
smax
Экспериментальны образец 1 испытывается при помощи копровой установки 2, установленной на силовом полу 3. Создающий сверхнормативную кратковременную динамическую нагрузку груз 4 падает на силоизмеритель 5, который в сою очередь установлен на распределительной траверсе 6. Экспериментальный образец 1 установлен на специально изготовленных опорах 7 с датчиками опорных реакций 8. Максимальная динамическая нагрузка q равна 6,27 т. Процесс динамического нагружения в процессе испытания регистрируется компьютерными измерительными системами.
В дальнейшем производится обработка полученных данных и строятся графики зависимости относительной кратковременной динамической нагрузки  и суммарной относительной опорной реакции  с синхронизацией по времени t (графики 1 и 2 на фиг. 5). На графике видно начальное запаздывание относительной опорной реакции относительно относительной динамической нагрузки на 2,22 мс и смещение пиков на 3,87 мс.
Затем путем вычислений по представленным формулам определяют значения мгновенного и усредненного коэффициента результирующей силы. Зависимость, показывающая изменение с течением времени значений коэффициента результирующей силы, приведена на графике 3 на фиг. 5. Для представленного в качестве примера испытания значения мгновенного коэффициента результирующей силы изменяются в пределах от +0,75 до -0,48. При этом знак (+) показывает превышение динамической нагрузки над опорной реакцией, а знак (-) - наоборот. На представленных графиках можно выделить четыре характерных временных интервала t1…t4, где t1 - временной интервал запаздывания опорной реакции относительно кратковременно динамической нагрузки (зависит в основном от скорости нагружения); t2 - временной интервал развития в экспериментальном образце вначале упругих, а затем пластических деформаций; t3 - временной интервал, характеризующий время разрушения образца (временной участок, на котором деформации бетона достигают своих предельных значений, а напряжения в арматуре достигают предела текучести); t4 - временной интервал значительного развития пластических деформаций.
Точка Т1 - точка «статического» равновесия. В данный момент времени кратковременная динамическая нагрузка равна по величине суммарной опорной реакции.
Усредненное значение коэффициента результирующей силы по сути равно разнице между площадями, ограниченными графиками 1 и 2 и временной осью на фиг. 5. Эти площади также находятся путем интегрирования по представленным формулам. Для представленного в качестве примера испытания площадь под графиком 1 составляет 11,678, а площадь под графиком 2 - 9,86. Усредненный коэффициент результирующей силы составляет . Полученное значение показывает долю энергии, затраченную на выделение тепла в процессе испытания строительной конструкции на кратковременную динамическую сверхнормативную нагрузку.
smax
Для получения абсолютных значений разности между мгновенными показаниями силоизмерителя и суммарной опорной реакции необходимо помножить мгновенное значение коэффициента результирующей силы k(t) на максимальное значение силы приложенного сверхнормативного ударного воздействия по показаниям силоизмерителя q.
Для получения абсолютного значения разности площадей под графиками 1 и 2 на фиг. 5 необходимо помножить усредненное значение коэффициента результирующей силы k на абсолютное значение площади под графиком 1, то есть на значение интеграла .
Полученные значения мгновенного k(t) и усредненного k коэффициентов результирующей силы в строительной конструкции показывают распределение во времени и численную оценку результирующей силы в строительной конструкции в процессе ее разрушения, а значение коэффициента k численно равно доле тепловых потерь в затраченной энергии на разрушение конструкции.
Предложенный способ испытания позволяет точно и достоверно получить значение коэффициента результирующей силы в строительной конструкции для заданного значения сверхнормативной ударной испытательной нагрузки, при изменении конструктивных параметров строительной конструкции в большую или меньшую сторону и изменении длительности импульса удара. Мгновенные и усредненные значения коэффициентов результирующей силы можно использовать как общеприменимые параметры при сопоставительном анализе реакций строительных конструкций на сверхнормативное динамическое воздействие при различных параметрах нагрузки и конструкции образцов.