СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ СТРОИТЕЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ НА ПОДАТЛИВЫХ ОПОРАХ С РАСПОРОМ ПРИ СВЕРХНОРМАТИВНОМ УДАРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ
METHOD OF TESTING A CONSTRUCTION STRUCTURE ON PLIABLE SUPPORTS WITH A SPACING AT EXCESSIVE IMPACT ACTION

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при испытании элементов или конструкций зданий и сооружений с численной оценкой их напряженно-деформированного состояния при воздействии сверхнормативных кратковременных динамических нагрузок по величине усредненной энергии деформирования, а также при анализе данных, полученных вследствие мониторинга зданий и сооружений при опасных природных и техногенных воздействиях.
S
d
Известен 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, оценка степени живучести с учетом динамического и последующего статического разрушения. Однако этот способ не позволяет оценить влияние динамической нагрузки во 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 важен учет и определение различных динамических параметров во времени, в том числе энергоемкости строительных конструкций.
Прототипом заявляемого изобретения является способ испытания строительной конструкции при сверхнормативном ударном воздействии (патент RU 2645039, МПК G01M 7/08, опубл. 15.02.2018), согласно которому 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. Фиксируют начало и окончание ударного воздействия, измеряя с помощью силоизмерителя мгновенные значения кратковременной динамической нагрузки в указанном интервале времени, при этом дополнительно в этом же интервале времени определяют мгновенные значения опорных реакций 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, а также график зависимости коэффициентов результирующей силы k(t) от времени ударного воздействия. Мгновенные k(t) и усредненное k значения коэффициентов результирующей силы в строительной конструкции при ударном разрушении определяют по формулам, исходя из мгновенных значений кратковременной динамической нагрузки, опорных реакций и максимального значения динамической нагрузки. 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.
Достоинством способа является точность и достоверность получения значения коэффициента результирующей силы в строительной конструкции для заданного значения сверхнормативной ударной испытательной нагрузки. 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. Однако данный способ не учитывает распределение энергии во времени при испытании строительных конструкции на податливых опорах с распором при сверхнормативном ударном воздействии.
Применение податливых опор позволяет сгенерировать и поглотить энергию нагружения, а применение распора в сочетании с технических решением по использованию податливых опор позволяет еще более увеличить несущую способность за счет ограничения деформаций в горизонтальном направлении. Применение известных способов испытания не позволяет учесть распределение энергии во времени при испытании строительных конструкций на податливых опорах с распором при сверхнормативном динамическом нагружении и связать данные моделирования с результатами экспериментальных исследований.
Техническая проблема, решаемая изобретением, направлена на то, чтобы определить, как распределяется энергия во времени при сверхнормативном ударном воздействии для строительных конструкций на податливых опорах с распором.
Технический результат при реализации изобретения заключается в определении численных оценок напряженно-деформированного состояния строительных конструкций на податливых опорах с распором при сверхнормативном ударном воздействии и оценке эффективности применения податливых опор в случае сверхнормативного ударного воздействия.
Технический результат, посредствам которого решается поставленная задача, достигается тем, что, как и по способу, принятому за прототип, испытуемую конструкцию подвергают сверхнормативному ударному воздействию через распределительную траверсу, уложенную на конструкцию в продольном направлении, фиксируют начало и окончание ударного воздействия, измеряя с помощью силоизмерителя мгновенные значения кратковременной динамической нагрузки в указанном интервале времени, одновременно в этом же интервале времени с помощью соответствующих датчиков фиксируют их мгновенные значения по длине конструкции, процесс динамического нагружения регистрируют компьютерной измерительной системой и полученные данные обрабатывают с помощью измерительно-вычислительного комплекса, после чего оценивают напряженно-деформированное состояние строительной конструкции.
I
В отличие от прототипа, оценку напряженно-деформированного состояния испытуемой строительной конструкции на податливых опорах осуществляют относительно напряженно-деформированного состояния аналогичной строительной конструкции, установленной на жестких опорах, при равных параметрах нагружения, для чего в интервале сверхнормативного ударного воздействия с помощью акселерометров и датчиков перемещений измеряют мгновенные значения ускорений и перемещений для обеих строительных конструкций по длине, в зафиксированном интервале времени сверхнормативного ударного воздействия определяют силы инерции F(t) по формуле:
I
где F(t) - сила инерции;
i
m - масса участка конструкции, соответствующая расположению акселерометра;
n - количество акселерометров;
i
a(t) - ускорения конструкции, зафиксированные акселерометрами в соответствующих точках их расположения.
После чего определяют величину ударно-волнового нагружения, направленного на деформирование конструкции по формуле:
def
S
I
F(t)=q(t)-F(t),
def
где F(t) – сила, направленная на деформирование конструкции;
S
q(t) - мгновенное значения кратковременной динамической нагрузки при сверхнормативном ударном воздействии по показаниям силоизмерителя;
I
F(t) - сила инерции.
И определяют значение усредненной энергии деформирования на интервале действия нагрузки для каждой конструкции по формуле:
med
def
med
E(t)=F(t)×f(t),
med
где E(t) - усредненная энергия деформирования конструкции;
def
F(t) – сила, направленная на деформирование конструкции;
med
f(t) - средняя величина перемещения конструкции во времени.
E,med
Затем по полученным значениям усредненной энергии для указанных испытуемых конструкций определяют энергетический коэффициент k по формуле:
где  - максимальное значение усредненной энергии деформирования на интервале действия нагрузки для конструкции без податливых опор;
- максимальное значение усредненной энергии деформирования на интервале действия нагрузки для аналогичной конструкции на податливых опорах с распором.
E,flex.b.
Кроме того, рассчитывают коэффициент энергоемкости податливой опоры k, по которому судят о снижении действующей энергии на испытуемую конструкцию за счет податливых опор, позволяющий оценить эффективность применения податливых опор при ударно-волновом нагружении по формуле:
где  - энергия, приходящаяся на деформирование податливой опоры;
med,flex.b,
f(t) - средняя величина перемещения податливых опор во времени;
- суммарная энергия, приходящаяся на деформирование конструкции и податливой опоры.
S
I
def
med
На основании полученных коэффициентов и построенных диаграмм мгновенных значений кратковременной динамической нагрузки q(t), силы инерции F(t), силы, направленной на деформирование конструкции F(t), и усредненной энергии деформирования E(t) от времени для испытуемой строительной конструкции на податливых опорах и аналогичной конструкции на жестких опорах, производят сопоставительный анализ и оценку напряженно-деформированного состояния строительных конструкции на податливых опорах с распором.
Дополнительно определяют коэффициент силового воздействия  отражающий отклонение импульса сил связанных с деформированием испытуемых образцов строительной конструкции:
где  - сила, направленная на деформирование конструкции на жестких опорах;
- сила, направленная на деформирование конструкции на податливых опорах с распором;
1
S - импульс силы конструкции на жестких опорах;
2
S - импульс силы конструкции на податливых опорах с распором;
- коэффициент силового воздействия.
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 и воспроизводимо использовать при испытании строительных элементов на податливых опорах с распором при сверхнормативных кратковременных динамических ударных нагрузках, а также при анализе данных, полученных вследствие мониторинга зданий и сооружений при опасных природных и техногенных воздействиях.
На фиг. 1 изображен стенд для испытания железобетонных балок при динамическом нагружении с распором на податливых опорах (фото).
На фиг. 2 изображена схема расстановки измерительных приборов при испытании железобетонных балок.
На фиг. 3, 4, 5 изображены соответственно: силоизмеритель для определения значения кратковременной динамической нагрузки; датчик перемещения; акселерометр (фото).
На фиг. 6, 7 показаны измерительно-вычислительные комплексы MIC-036R, MIC-300M (фото).
На фиг. 8 изображена схема разграничения масс образца с учетом расстановки акселерометров по длине.
S
I
def
На фиг. 9 изображены диаграммы мгновенных значений кратковременной динамической нагрузки от времени q(t) для образца БД строительной конструкции без распора и податливых опор (диаграмма под цифрой 1); и распределения сил инерции F(t) (диаграмма под цифрой 2); диаграмма развития сил, связанных с деформированием образца F(t) (диаграмма под цифрой 3).
S
I
def
На фиг. 10 изображены диаграммы мгновенных значений кратковременной динамической нагрузки от времени q(t) для образца БДРП аналогичной строительной конструкции с распором на податливых опорах (диаграмма под цифрой 1); и распределения сил инерции F(t) (диаграмма под цифрой 2); диаграмма развития сил, связанных с деформированием образца F(t) (диаграмма под цифрой 3).
На фиг. 11 изображена диаграмма зависимости усредненной энергии деформирования от времени для образца БД без распора и податливых опор.
На фиг. 12 изображена диаграмма зависимости усредненной энергии деформирования от времени для образца БДРП с распором на податливых опорах (диаграмма 2); диаграмма усредненной энергии деформирования податливой опоры во времени для образца БДРП (диаграмма 3); диаграмма усредненной энергии деформирования образца без учета смятия податливой опоры во времени (диаграмма 4).
Способ выполняют следующим образом.
Экспериментальный образец строительной конструкции (железобетонная балка 1), испытывается при помощи копровой установки, установленной на силовом полу 2. Создающий сверхнормативную кратковременную динамическую нагрузку груз 3 падает на силоизмеритель 4, который в сою очередь установлен на распределительной траверсе 5. Распор создается при помощи ограничительного контура 6 (фиг. 1). На железобетонной балке 1 по ее длине (фиг. 2) размещается комплекс измерительных датчиков (фиг. 3, 4, 5):
- датчик 4 (фиг. 2) для определения входного силового воздействия - силоизмеритель тензоризистивный ДСТ 4126 (фиг. 3);
- датчик 9 (фиг. 2) для определения перемещений - индуктивные датчики перемещения Waycon серии RL150 (фиг. 4);
- датчик 8 (фиг. 2) для измерения ускорений - акселерометры (DHE 100023) (фиг. 5).
Для регистрации показаний датчиков в процессе экспериментального исследования использовалась сертифицированная измерительная система MIC-036R и MIC-300M (фиг. 6, 7), все силоизмерительные датчики были подключены к ней через специальные, имеющие защиту от помех провода, что обеспечивало необходимую точность при синхронизации данных со всех датчиков во времени.
S
def
S
I
med
def
med
В дальнейшем производится обработка полученных данных и строятся диаграммы зависимости входного силового воздействия мгновенных значений кратковременной динамической нагрузки q(t), зависимости сил инерции  Определяют величину ударно-волнового нагружения, направленного на деформирование образца F(t)=q(t)-F(t), далее выполняется расчет усредненной энергии деформирования на интервале действия нагрузки E(t)=F(t)×f(t).
E,med
E,flex.b.
Затем путем вычислений по представленным формулам определяют значения коэффициента силового воздействия  энергетического коэффициента k; коэффициента энергоемкости податливой опоры k.
Далее способ показан на конкретном примере испытания изгибаемых железобетонных балок на кратковременное динамическое воздействие.
Для сравнения и оценки параметров нагружения и напряженно-деформированного состояния железобетонных балок при интенсивном динамическом нагружении были испытаны балка без распора в отсутствие ограничительного контура 6 (фиг. 1) и без податливых опор (БД) на жестких опорах, и аналогичная балка с распором на податливых опорах 7 (БДРП) (фиг. 2). Высота падения груза составляла 0,75 м, масса груза 450 кг. Акселерометры 8 и датчики перемещений 10 располагали по длине балки с шагом 300 мм (фиг. 2).
После проведения эксперимента зарегистрированные данные со всех измерительных датчиков преобразовывались в формат Microsoft Excel, где производилась дальнейшая их обработка. Таким образом были получены значения входного силового воздействия во времени, значения перемещений и ускорений во времени.
Ниже представлено вычисление сил инерции, полученных по результатам испытаний образца БД. Для построения развития сил инерции во времени необходимо просуммировать показания акселерометров, умноженные на массу соответствующего участка (фиг. 9):
I
i
i
где F(t) - сила инерции; m - масса участка конструкции, соответствующая расположению акселерометра; n - количество акселерометров; a(t) - ускорения конструкции, зафиксированные акселерометром в соответствующей точке ее расположения.
def
В результате можно вычислить по формуле (1) величину силы инерции балки на всем интервале действия нагрузки. В результате вычитания соответствующих значений диаграммы 1 входного силового воздействия для образца БД фиг. 9 из диаграммы 2 на фиг. 9, вычисленных по формуле (1), получена диаграмма 3, характеризующая развитие сил, связанных с деформированием образца F(t) для балки, установленной на жестких опорах.
0
1
1
2
Как видно из полученных диаграмм (фиг. 9), на первом временном интервале t=0 мс до t=2,68 мс абсолютные значения разности между мгновенными показаниями силоизмерителя (диаграмма 1) совпадают с силами инерции, полученными экспериментально (диаграмма 2), что свидетельствует об упругой работе в ходе ударно-волнового нагружения. Дальнейшее расхождение графиков отражает затраты силового воздействия на деформирование конструкции в пластической стадии, временной интервал от t=2,68 мс до t=18,81 мс. Таким образом, по формуле (2) можно разграничить стадии деформирования конструкции на временном отрезке силового воздействия, а также количественно оценить величину ударно-волнового нагружения, направленного на деформирование образца:
Аналогично диаграммам на фиг. 9 для образца БД построены диаграммы для образца БДРП (фиг. 10) - балки, установленной на податливых опорах с распором.
Сравним диаграмму 3 фиг. 9 с диаграммой 3 фиг. 10. В результате сравнения можно вычислить коэффициент силового воздействия  отражающий отклонение импульса сил, связанных с деформированием образца БДРП относительно БД при равных параметрах ударно-волнового нагружения (высота падения груза 0,75 м, масса груза 450 кг). Для этого вычислим интеграл функций диаграмм 3 фиг. 9 и диаграммы 3 фиг. 9:
Физический смысл коэффициента силового воздействия  заключается в отклонении импульса силы, приложенной к образцу, защищенному податливой опорой (БДРП) по отношению к образцу БД без соответствующей защиты, при равных параметрах ударного нагружения (падения груза 0,75 м, масса груза составляла 450 кг), фактически это погрешность получения экспериментальных данных измерения, вызванная неидентичностью образцов в связи с особенностями технологического процесса бетонирования и анизотропностью бетона.
def
Для получения усредненной энергии деформирования на интервале действия нагрузки умножим F(t) на усредненные перемещения конструкции по длине элемента:
med
def
med
где E(t) - усредненная энергия деформирования на интервале действия нагрузки; F(t) - сила, затраченная на деформирование образца; f(t) - усредненные перемещения образца по длине на интервале действия сверхнормативного силового воздействия (среднее значение перемещений во времени по длине образца).
По представленной выше зависимости (3) построены усредненные энергетические диаграммы для образцов серии БД (фиг. 11) и БДРП (фиг. 12).
Из энергетических диаграмм (фиг. 10, 11) видно, что максимальное значение энергии  - для конструкции серии БД (диаграмма 1, фиг. 10) и  - для конструкции серии БДРП (диаграмма 2, фиг. 11). Причем для образца БДРП отражено на фиг. 12 перераспределение энергии, приходящейся на деформирование конструкции -  (диаграмма 4, фиг. 12), и энергии, приходящейся на деформирование податливой опоры -  (диаграмма 3, фиг. 112). Таким образом, увеличение значений энергий, затраченных на деформирование балки, можно охарактеризовать энергетическим коэффициентом  физический смысл которого заключается в том, что энергия, приложенная к конструкции в испытании образца серии БДРП, сократилась в 5,38 раз за счет энергопоглощения податливой опорой, причем величина коэффициента энергоемкости податливой опоры составила .
Таким образом, в результате проведенных испытаний получены следующие коэффициенты:
- коэффициент силового воздействия  который характеризует отклонение интегрального значения силы, приложенной к образцу, защищенному податливой опорой (БДРП), по отношению к образцу (БД) без соответствующей защиты, при равных параметрах ударного нагружения (падения груза 0,75 м, масса груза составляла 450 кг), это позволяет оценить погрешность, связанную с неидентичностью образцов и анизатропностью бетона, и точность проведенных испытаний;
E,med
- энергетический коэффициент k=5,38, физический смысл которого заключается в том, что энергия, приложенная к конструкции в испытании образца серии БДРП, сократилась в 5,38 раз за счет энергопоглощения податливой опорой;
E,flex.b.
- коэффициент энергоемкости податливой опоры составил k=0,826, означающий, что 82,6% энергии было поглощено за счет использования податливых опор.
Изменяя жесткостные параметры податливых опор и конструкции в большую или меньшую сторону, предложенный способ испытания позволяет точно и достоверно получить заданное значение коэффициента энергоемкости податливой опоры и энергетического коэффициента для заданного значения сверхнормативной ударной испытательной нагрузки и уточнить коэффициенты нагрузки исследуемой конструкции.