УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ ЖЕЛЕЗОБЕТОННОЙ БАЛКИ НА КРАТКОВРЕМЕННУЮ ДИНАМИЧЕСКУЮ НАГРУЗКУ ПРИ ИЗГИБЕ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЕЕ СОБСТВЕННОЙ ЧАСТОТЫ КОЛЕБАНИЙ

Полезная модель относится к испытательной технике, а именно к установкам для проведения испытаний железобетонных балок на кратковременную динамическую нагрузку и определения ее собственной частоты колебаний, используемой при последующей обработке результатов.
st
Аналогом заявляемого устройства является испытательная машина для динамических испытаний железобетонных элементов на ударную нагрузку при помощи энергии падающего груза, представленная в сборнике: Impact: Eff. Fast Transient Loadings: Proc.1 Int. Conf.Eff. Fast Transient Loadings. Lausanne, p.37-65. Название статьи: Constitutive modeling of concrete under impact loading (Определяющие соотношения для бетона под действием ударной нагрузки). Авторы: John. R., Shah S.P. Машина включает в себя нагружающее устройство, состоящее из бетонного основания, колонн, груза, силового привода нагружения, электротензометрического датчика силы, датчика деформаций, датчика ускорений, датчика скорости и оптического измерительного блока подключенного к ЭВМ. Этой машиной обеспечивается испытание железобетонных элементов на изгиб. При этом нет возможности обжать элемент продольной сжимающей силой. Достоверность испытаний повышается за счет автоматического вычисления напряжений и деформаций от изгиба.
Однако данная испытательная машина не позволяет перед испытанием на кратковременную динамическую нагрузку определить частоту собственных колебаний железобетонной балки, что приводит к неточностям при обработке экспериментальных данных.
Существуют испытательные системы, которые позволяют определить частоту собственных колебаний железобетонных балок.
Известна разработанная ранее схема испытания вибрационных объектов, которая позволяет реализовать способ по патенту РФ на изобретение №1773164. Данная схема включает в себя экспериментальный образец, закрепленный на опорах, вибратор, генератор качающейся частоты, усилитель мощности и определенную измерительную систему, в состав которой входят базовый и контрольный датчик ускорений, предусилители частоты, аналого-цифровые преобразователи, решающее устройство, запоминающее устройство и графопостроители. Определяется собственная частота и добротность испытуемого объекта, а затем с помощью генератора качающейся частоты и усилителя мощности происходит воздействие на объект гармонической вибрацией с амплитудой, выбранной в соответствии со значениями собственной частоты и добротности из условия равенства максимальных реакций объекта при гармонической и имитируемой случайной вибрации. Предложенная схема устройства позволяет повысить точность определения амплитуды гармонической вибрации.
Однако, учитывая частоты, определяемые с помощью этого устройства и предложенного способа при испытании железобетонной конструкции на динамическую нагрузку с ее разрушением невозможно получить точные и достоверные результаты, так как железобетонные конструкции от образца к образцу имеют разброс собственных частот, вследствие специфики изготовления железобетонных конструкций.
Известны резонансные системы для определения собственной частоты колебаний образцов, Р.Джонс, И.Фэкэоару «Неразрушающие методы испытаний бетонов» Москва, Стройиздат, 1974 г., с.20. Аппаратура для проведения испытаний резонансным методом содержит генератор звуковой частоты, усилитель мощности, цифровой частотомер, возбудитель, образец, приемник, усилитель напряжения, осцилограф, указатель величины амплитуды. Однако использование полученных результатов в дальнейшем при обработке данных динамических испытаний железобетонных балок не обеспечивает достоверности и высокой точности, в связи с тем, что в ходе динамического испытания конструкция работает совместно со всеми окружающими ее устройствами, а следовательно частоту собственных колебаний балки необходимо определять в условиях максимально приближенных к экспериментальным (те же условия закрепления, те же распределяющие нагрузку траверсы и т.д.).
За прототип принят стенд по патенту РФ на полезную модель №53776. Это устройство имеет наибольшее количество сходных с заявляемой установкой признаков и содержит: опорные элементы для железобетонного элемента, смонтированные на силовом полу, нагружающее устройство, загрузочную траверсу, устанавливаемую на железобетонном элементе, ролики, две металлические пластины для размещения концов железобетонного элемента, силоизмеритель, дополнительные опоры, расположенные по обе стороны от нагружающего устройства, дополнительные траверсы, установленные на этих опорах, тяжи, концы которых закреплены в дополнительных траверсах и домкрат. Нагружающее устройство выполнено в виде копровой установки, две мачты которой снабжены ограничителем хода груза, при этом один ролик расположен в вырезе одного из опорных элементов неподвижно, а второй - в вырезе второго опорного элемента с возможностью горизонтального перемещения, причем одна металлическая пластина установлена на неподвижном ролике, другая - на подвижном. При этом домкрат расположен между дополнительной траверсой и самим железобетонным элементом и упирается в траверсу, а для обработки данных испытаний используется комплекс измерительных приборов и измерительная система.
Данная установка позволяет испытывать железобетонные элементы при кратковременном динамическом сжатии, но не позволяет определять частоту собственных колебаний опытных образцов, что приводит к нарушению чистоты обработки эксперимента и корректности полученных данных. При обработке результатов испытаний железобетонных элементов на кратковременное динамическое воздействие необходимой для получения точных данных характеристикой является частота собственных колебаний. Определение частоты собственных колебаний непосредственно железобетонной балки дает не точные результаты, в связи с этим необходимо знать частоту собственных колебаний образца при работе его в условиях, максимально приближенных к экспериментальным.
Задача полезной модели - объединить испытание железобетонной балки на кратковременную динамическую нагрузку с определением ее собственной частоты колебаний и тем самым повысить точность определения собственной частоты железобетонной балки путем приближения к условиям динамических испытаний. Технический результат, на достижение которого направлена решаемая задача, заключается в определении собственных частот колебаний экспериментального железобетонного образца. Данная характеристика необходима для фильтрации ускорений при обработке экспериментальных данных, что в целом позволяет более точно оценить поведение опытных конструкций при кратковременном динамическом нагружении и повышает достоверность результатов и точность расчетов при проектировании.
Задача решена следующим образом.
Общим с прототипом является то, что заявляемое устройство содержит: опорные элементы для экспериментального железобетонного образца, смонтированные на силовом полу, загрузочную траверсу, ролики, две металлические пластины для размещения концов железобетонного образца, силоизмеритель, закрепленный на загрузочной траверсе. Нагружающее устройство выполнено в виде копровой установки, при этом один ролик расположен в вырезе одного из опорных элементов неподвижно, а второй - в вырезе второго опорного элемента с возможностью горизонтального перемещения, причем одна металлическая пластина установлена на неподвижном ролике, другая - на подвижном. Общим является также то, что имеется экспериментальный груз установленный на силоизмерителе, а основание копровой установки жестко закреплено на силовом полу. Для получения и обработки данных использована измерительная система.
В отличие от прототипа установка имеет дополнительно независимую опору, жестко закрепленную на силовом полу с возможностью демонтажа, при этом на ней закреплен вибратор, который упирается в экспериментальный груз и через усилитель подключен к задающему генератору. В то же время в центре экспериментального образца установлен датчик ускорения, который через второй усилитель подключен к измерительной системе.
В частных случаях установка содержит вторую дополнительную раму и гидравлический домкрат для обжатия экспериментального образца.
С помощью задающего генератора последовательно изменяется частота колебаний вибратора от 0 Гц до определения резонансного пика первой гармоники колебаний по показаниям датчика ускорения на индикаторе измерительной системы, данная частота соответствует собственной частоте колебаний образца.
Поскольку дополнительная рама закреплена с возможностью демонтажа, это позволяет производить в дальнейшем динамические испытания этой же железобетонной балки, в тех же условиях, при которых была определена собственная частота колебаний, и при обработке данных динамических испытаний повысить достоверность результатов.
Полезная модель пояснена чертежом, на котором приведен общий вид установки. Конструкция установки смонтирована на силовом полу 1, для обеспечения жесткого закрепления. Экспериментальный образец (железобетонная балка) 2, лежит на опорных элементах 3, 4. На каждом из опорных элементов 3, 4, жестко закрепленных к силовому полу 1, имеется ролик, соответственно 5, 6. На одном из опорных элементов 3 ролик 5 свободно перемещается в его вырезе, а на другом опорном элемете 4 ролик 6 неподвижен. На экспериментальный образец 2 через металлические пластины 7, 8 уложена загрузочная траверса 9. К загрузочной траверсе 9 закреплен силоизмеритель 10, на котором лежит экспериментальный груз 11. Вся конструкция собрана на базе копровой установки 12. Основание 13 копровой установки 12 жестко закреплено на силовом полу 1. По центру экспериментального образца 2 установлен датчик ускорения 14, который через усилитель 15 подключен к измерительной системе 16. На дополнительной (независимой) опоре 17, жестко закрепленной на силовом полу 1, закреплен вибратор 18, который подключен через усилитель 19 к задающему генератору 20.
С помощью задающего генератора 20 через усилитель 19 последовательно изменяется частота колебаний вибратора 18, передающего вибрацию на экспериментальный образец 2 от 0 Гц до определения резонансного пика первой гармоники колебаний по показаниям датчика ускорения 14, передающихся через усилитель 15 на индикатор измерительной системы 16, данная частота принимается как частота собственных колебаний системы. В дальнейшем при проведении динамических испытаний на изгиб дополнительная опора 17, вибратор 18, усилители 15 и 19, а также задающий генератор 20 демонтируется. Ударная нагрузка создается массой падающего груза 11 копровой установки 12 на экспериментальный образец 2. В частном случае на экспериментальный образец домкратом дополнительно подают сжимающую нагрузку. При этом регистрация данных о работе экспериментального образца 2 при изгибе или одновременном изгибе и сжатии производится измерительной системой 16.
Достижение технического результата заключается в том, что измеренная при тех же условиях, что и в испытании частота собственных колебаний образца используется при фильтрации ускорений в процессе обработки экспериментальных данных, тем самым повышается достоверность и точность данных о поведении железобетонного образца в процессе динамического деформирования.