Способ определения деформаций, напряжений, усилий и действующих нагрузок в элементах эксплуатируемых металлических конструкций
METHOD OF DETERMINING DEFORMATIONS, STRESSES, FORCES AND OPERATING LOADS IN ELEMENTS OF OPERATED METAL STRUCTURES

Изобретение относится к неразрушающему контролю деформаций, напряжений, наибольших усилий и действующих нагрузок в элементах эксплуатируемых металлических конструкций.
Известен способ определения механических напряжений, заключающийся в том, что из фрагмента металла, аналогичного металлу конструкции, вырезают образец. Шлифованием подготавливают одну из боковых поверхностей образца до гладкого состояния. Зажимают образец в захватах разрывной машины. Ступенчато нагружают образец до достижения металлом предела текучести. На каждом шаге нагружения измеряют микротвердость поверхности не менее 50 раз, произвольно перемещая датчик микротвердомера по поверхности образца. Рассчитывают дисперсию результатов измерения на каждом шаге нагружения. Строят зависимость дисперсии значений микротвердости от напряжений в металле. Шлифованием подготавливают поверхность металла конструкции для измерений микротвердости. Измеряют микротвердость поверхности не менее 50 раз, произвольно перемещая датчик микротвердомера по поверхности конструкции. Рассчитывают дисперсию значений микротвердости и определяют величину напряжений в конструкции с помощью полученной зависимости (RU 2389988, МПК G01L 1/06, опубл. 20.05.2010).
Недостатком данного метода является низкая точность определения напряжений, т.к. сложно подобрать металл, аналогичный по свойствам конструкционному металлу, вследствие его деградации и влияния условий среды.
Известен способ определения запаса прочности, заключающийся в том, что на контролируемом участке образца (аналога) элемента (или на действующем элементе) при отсутствии внешней изгибающей силы и при приложении внешней изгибающей силы (в пределах упругих свойств элемента) каждый раз осуществляется намагничивание в целях создания симметричного магнитного поля относительно оси (осей) симметрии геометрической фигуры поперечного сечения элемента. Измеряется величина индукции магнитного поля в характерных точках на границах поперечных сечений элемента, симметричных друг другу относительно оси (осей) симметрии сечений элемента. Определяется средняя разность абсолютных величин магнитной индукции в характерных точках на контролируемом участке. По экспериментальной зависимости изгибающей силы (или средней напряженности в материале) от средней разности абсолютных значений магнитной индукции в характерных точках на контролируемом участке образца (аналога) элемента (или на действующем элементе) находится аналитическая зависимость. На контролируемом участке элемента конструкции, находящейся в рабочем состоянии, создается симметричное магнитное поле относительно геометрической фигуры сечения элемента, измеряется величина индукции магнитного поля в характерных точках сечений, определяется средняя разность абсолютных значений магнитной индукции в аналогичных характерных точках и, по полученной ранее аналитической зависимости, находится среднее оценочное значение напряженности в материале на контролируемом участке элемента действующей конструкции (RU №2590224, МПК G01N 27/72, опубл. 10.07.2016).
Недостатком данного способа является низкая точность определения напряжений и сложность проведения испытаний.
Известен способ измерения напряженно-деформированного состояния в конструкциях без снятия нагрузок, заключающийся в том, что в контролируемых точках устанавливают тензорезисторы, включенные в тензометрический мост измерителя деформаций. При этом тензорезисторы закрепляют на конструкции, находящейся в деформированном напряженном состоянии, и производят измерения поверхностных деформаций, которые принимают за конечные, затем выполняют вырезки материала вокруг тензорезисторов на глубину, соответствующую снятию напряженного состояния конструкции в точке измерения деформаций, и измеряют поверхностные деформации конструкции, которые принимают за начальные, на основании указанных начальных и конечных поверхностных деформаций определяют поверхностные деформации конструкции под нагрузкой, затем на образце конструкции, который находится в ненапряженном состоянии, измеряют начальные деформации образца конструкции, после чего производят вырезки материала в образце конструкции вокруг измерительного тензорезистора на ту же глубину, что и в материале исследуемой конструкции, измеряют конечные деформации образца конструкции, на основании измеренных значений начальных и конечных деформаций образца конструкции определяют остаточные температурные деформации недеформированной конструкции и вычисляют истинные относительные деформации конструкции, вычитая из поверхностных остаточных деформаций конструкции под нагрузкой остаточные температурные деформации недеформированной конструкции (RU №2302610, МПК G01B 7/16, опубл. 10.07.2007).
Недостатком данного способа является низкая безопасность проведения испытаний, т.к. ослабление наиболее опасного сечения может привести конструкцию в аварийное состояние.
Наиболее близким изобретением является способ снятия нагрузок методом кольцевого надреза, заключающийся в том, что на несущий элемент конструкции в области определения напряжений наклеивают 4 разнонаправленных тензорезистора и измеряют их омическое сопротивление. Затем с помощью тонкой фрезы, насаженной на дрель, делают кольцевой надрез вокруг наклеенных тензорезисторов и вновь измеряют их омическое сопротивление. Затем определяют относительные деформации и по найденным упругим постоянным и относительным деформациям рассчитывают направление нормалей главных площадок и величину главных напряжений (Лужин О.В., Злочевский А.Б., Горунов И.А. и др. Обследование и испытаний сооружений. М.: Стройиздат, 1987. 263 с.).
Недостатками данного способа является небезопасность проведения испытаний с ослаблением сечением.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является сохранение остаточной несущей способности несущего элемента; повышение безопасности проведения испытаний; сохранение непрерывности эксплуатации сооружения.
Технический результат достигается за счет предварительного усиления ослабляемого сечения приваренными накладками.
Изобретение поясняется графически (фиг. 1-2). На фиг. 1 представлен условный вид реализации способа определения деформаций, напряжений, усилий и действующих нагрузок для металлических элементов с профилем в виде двутавра, где 1 - накладка; 2 - отверстие; 3 - тензорезистор; 4 - исследуемый элемент конструкции. На фиг. 2 представлен условный вид реализации способа определения деформаций, напряжений, усилий и действующих нагрузок для металлических элементов с профилем в виде прямоугольной трубы, где 1 - накладка; 2 - отверстие; 3 - тензорезистор; 4 - исследуемый элемент конструкции.
0,i
1,i
Способ заключается в следующем: теоретически или экспериментально выявляют место (сечение) с наибольшими деформациями в элементе металлической конструкции от эксплуатационной нагрузки. Усиливают поперечное сечение приваренными накладками с отверстием и закругленными концами для снижения концентрации напряжений (фиг. 1-2), расположенными вдоль силовых линий несущего элемента конструкции, толщиной, равной не менее толщины проката элемента металлической конструкции. Затем в местах с наибольшими деформациями на верхней и нижней грани поперечного сечения несущего элемента конструкции через отверстие накладки устанавливают (наклеивают) 3-4 тензорезистора, изолируют их полимерным клеем для того, чтобы убрать влияние внешних воздействий при проведении испытаний и измеряют их омические сопротивления R. Затем в элементе с тензорезисторами просверливают отверстия между тензорезисторами диаметром, равным 3-4 значениям ширины тензорезисторов, на расстоянии от тензорезисторов, равном двум диаметрам отверстий, а конструкцию в процессе сверления отверстий охлаждают известными способами, например, водой или смазочно-охлаждающими жидкостями для того, чтобы убрать температурные воздействия, после просверливания отверстий вновь измеряют омические сопротивления тензорезисторов R и определяют наибольшее значение деформации по всем результатам измерений сопротивлений тензорезисторов по формуле:
T
где k - коэффициент тензочувствительности тензорезистора;
0,i
R - сопротивление i-тензорезистора до высверливания отверстий в конструкции;
1,i
R - сопротивление i-тензорезистора после высверливания отверстий в конструкции.
Наибольшее напряжение в несущем элементе конструкции находят по формуле:
s
max
где E - модуль упругости; ε - максимальная относительная деформация, полученная по результатам испытаний.
s
5
Для стали E=2⋅10 МПа, а для других материалов модуль упругости определяется согласно соответствующим нормативным документам;
Изгибающий момент в элементе конструкции, работающем на изгиб (балка) определяют по формуле:
где W - момент сопротивления, определяемый расчетом или по соответствующим сортаментам элементов конструкций;
В случае несущего элемента конструкции работающего на сжатие или растяжение, усилие определяют по формуле:
где А - площадь поперечного сечения несущего элемента конструкции.
Для определения эксплуатационной нагрузки в задачах на определение надежности, риска и других показателей уровня безопасности эксплуатации элементов выявляют расчетную схему элемента конструкции и по формулам строительной механики находят значение эксплуатационной нагрузки. Например, для свободно опертой металлической балки при равномерно распределенной нагрузке по всей длине пролета эксплуатационная нагрузка (с учетом собственного веса) определяется по формуле:
где  - пролет металлической балки.
Т.к. усилия в одном и том же поперечном сечении несущего элемента могут отличаться, то накладки устанавливаются в нескольких участках несущего элемента в местах наибольших деформаций.
Пример реализации.
s
T
0,1
0,2
0,3
1,1
1,2
1,3
max
11
-6
3.
Требуется измерить эксплуатационное напряжение и нагрузку на изгибаемую металлическую балку I20Б1 по ГОСТ Р 57837-2017 (модуль упругости стали E=2⋅10 Па) пролетом  В соответствии с ГОСТ Р 57837-2017, момент сопротивления балки: W=184⋅10 м На балку навариваются накладки и устанавливаются тензорезисторы (условно 3 штуки) в отверстие накладки. Примем условно коэффициент тензочувствительности тензорезистора k=4. Измеряется омическое сопротивление тензорезисторов: R=800 Ом; R=804 Ом; R=802 Ом. Высверливается отверстия между тензорезисторами. Вновь измеряется омическое сопротивление тензорезисторов: R=795 Ом; R=800 Ом; R=799 Ом. Определяют значения относительных деформаций:  Выбирается максимальное значение: ε=0,0016. Наибольшее напряжение определяют по (2) как:
s,max
max
s
11
σ=ε⋅E=0,0016⋅2⋅10=320 МПа.
Изгибающий момент определяют по (3) как:
s,max
s,max
6
-6
M=σ⋅W=320⋅10⋅184⋅10=58,88 кН⋅м.
Эксплуатационная нагрузка для данного варианта определяется по (5) в виде:
По сравнению с известным, предлагаемое изобретение позволяет сохранить остаточную несущую способность несущего элемента; повысить безопасность проведения испытаний, а также выявить усилия в сечении элемента и эксплуатационную нагрузку на элемент.