СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ИЗГИБ С КРУЧЕНИЕМ ПРИ СТАТИЧЕСКОМ И КРАТКОВРЕМЕННОМ ДИНАМИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ
METHOD OF TESTING BUILDING STRUCTURES FOR BENDING WITH TORSION AT STATIC AND DYNAMIC SHORT-TERM ACTION

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при испытании конструкций и отдельных элементов зданий и сооружений, работающих на изгиб с кручением при статическом и кратковременном динамическом воздействии, с определением точной деформационной модели конструкции, например балок или плит.
Известен способ испытания конструкции на ударные воздействия по патенту РФ на полезную модель №61881. Согласно способу железобетонный элемент устанавливают на опоры, на один из концов элемента плотно надевают оголовник с рычагом для принятия ударной нагрузки и подшипник, а второй конец железобетонного элемента жестко закрепляют в металлическом башмаке. На торце железобетонного образца со стороны оголовника прикрепляют интегральный датчик ускорений, соединяют его с измерительно-вычислительным комплексом. Крутящий момент создают падением груза определенной массы с заданной высоты на рычаг, прикрепленный к оголовнику. Информацию об угле закручивания элемента одновременно с его поворотом и без помех фиксируют при помощи закрепленного на торце железобетонного элемента интегрального датчика ускорений.
Данный способ испытаний позволяет судить об угле закручивания конструкции при действии на нее крутящих моментов. Однако полученная с помощью интегрального датчика ускорений информация не позволяет точно определить значение угла закручивания железобетонного элемента в связи с тем, что вектор ускорения точки, лежащей на поверхности образца, содержит в себе как горизонтальную, так и вертикальную составляющую. Применение интегрального датчика при испытании железобетонного элемента, воспринимающего одновременно изгибающий и крутящий моменты, недопустимо по причине отсутствия возможности отличить с помощью данного датчика деформации, вызванные кручением, от деформаций изгиба, оказывающих значительное влияние на конечную деформационную модель элемента.
Прототипом заявляемого изобретения является способ испытания железобетонных элементов на изгиб с кручением при статическом воздействии с помощью гидравлического домкрата (Vishnu Н. Jariwala, Paresh V. Patel, Sharadkumar P. Purohit. Strengthening of RC Beams subjected to Combined Torsion and Bending with GFRP Composites. Procedia Engineering, 2013, №51, 282-289), заключающийся в том, что железобетонный элемент испытывают на воздействие изгибающего момента за счет приложения перпендикулярно к его продольной оси двух вертикальных сил и на воздействие двух разнонаправленных крутящих моментов, возникающих за счет наличия эксцентриситетов приложения вертикальных сил. Для обеспечения такой схемы испытаний железобетонный элемент устанавливают на жесткие опоры. В заданных местах на железобетонном элементе закрепляют оголовники. На вылетах оголовников, направленных в противоположные стороны, устанавливают распределительную траверсу, через которую нагружают железобетонный элемент. При этом способ предусматривает установку индикаторов с проволочной связью, предназначенных для измерения перемещений вылетов оголовников, к которым через распределительную траверсу прикладывают нагрузку при проведении испытаний. По данным перемещениям можно судить об интенсивности закручивания железобетонных элементов.
Применение способа позволяет воссоздать в железобетонных элементах напряженно деформированное состояние (НДС), близкое к НДС железобетонных конструкций, работающих на изгиб с кручением. Недостатком известного способа является то, что способ не может быть применен при испытании конструкции на кратковременное динамическое воздействие. По измеренным перемещениям консольных балок невозможно судить об абсолютной величине изгиба и абсолютном значении углов закручивания конструкции по причине наличия как вертикальных, так и горизонтальных составляющих перемещений, которые не учитываются по прототипу. В связи с этим снижается достоверность полученных результатов и точность определения НДС железобетонного элемента при воздействии нагрузки. К тому же применение индикаторов с проволочной связью при испытании на воздействие кратковременной динамической нагрузкой не возможно ввиду скоротечности процессов, что сужает область исследований.
Задачей заявляемого изобретения является испытание конструкций на изгиб с кручением с определением достоверных абсолютных величин деформаций кручения и деформаций изгиба при воздействии статической и кратковременной динамической нагрузки.
Технический результат заключается в определении абсолютных величин угла закручивания и вертикальных прогибов конструкции, работающей на изгиб с кручением, которые позволяют определить точную схему деформирования элемента, находящегося в условиях сложного НДС.
Способ испытания строительных конструкций на изгиб с кручением при статическом и кратковременном динамическом воздействии имеет общее с прототипом то, что сначала испытуемый образец устанавливают на жесткие опоры и в заданных местах на испытуемом образце закрепляют оголовники с противоположно направленными вылетами. Как и в прототипе, на вылетах оголовников размещают концы распределительной траверсы, затем через распределительную траверсу испытуемый образец нагружают и исследуют его деформированное состояние, обусловленное одновременным изгибом и кручением под воздействием нагрузки, фиксируя перемещения в сечениях испытуемого образца.
пр
В отличие от прототипа деформированное состояние испытуемого образца оценивают по абсолютному значению вертикальных прогибов испытуемого образца и абсолютному углу закручивания испытуемого образца. По заявляемому способу одновременно с двух сторон от продольной оси испытуемого образца вблизи каждого из оголовников и симметрично относительно продольной оси испытуемого образца устанавливают прогибомеры и измеряют вертикальные перемещения противоположных сторон испытуемого образца под воздействием заданной нагрузки. Каждый прогибомер устанавливают с возможностью обеспечения строго вертикального положения подвижного штока. Абсолютный вертикальный прогиб f в рассматриваемом сечении испытуемого образца определяют по формуле:
,
max
min
где f и f - значения вертикальных перемещений противоположных сторон испытуемого образца, соответственно максимальное и минимальное,
при этом полный абсолютный угол закручивания φ испытуемого образца определяют по формуле:
1
2
φ=φ+φ,
где
1
φ - абсолютный угол закручивания испытуемого образца на одном конце образца вблизи оголовника;
max,1
min,1
f и f - значения вертикальных перемещений противоположных сторон испытуемого образца, соответственно максимальное и минимальное, на одном конце испытуемого образца вблизи оголовника;
2
φ - абсолютный угол закручивания испытуемого образца на втором конце образца вблизи оголовника;
max,2
min,2
f и f - значения вертикальных перемещений противоположных сторон испытуемого образца, соответственно максимальное и минимальное, на втором конце испытуемого образца вблизи оголовника;
L - расстояние от продольной оси испытуемого образца до оси прогибомера.
Обеспечить строго вертикальное положение подвижного штока прогибомера с одновременным свободным его закреплением в верхней точке можно следующим образом: вблизи оголовников на испытуемом образце перпендикулярно его продольной оси закрепить балку, обеспечивая одинаковые вылеты концов балки за боковую грань. На балке с возможностью перемещения вдоль нее установить каретки, а подвижные штоки соединить с каретками шарнирно. Основания прогибомеров при этом фиксируют жестко на силовом полу. Испытуемый образец нагружают статической нагрузкой, как и по способу-прототипу, или кратковременной динамической нагрузкой.
Формула для определения угла закручивания произвольно выбранного сечения элемента, подверженного изгибу с кручением, получена из геометрических свойств прямоугольного треугольника с учетом следующих допущений. Как известно, конструкции, работающие на изгиб с кручением, перемещаются в пространстве под действием двух силовых факторов, и для того, чтобы достоверно определить перемещения, вызванные кручением, необходимо отделить их от перемещений, обусловленных изгибом конструкции. Это можно сделать путем осреднения общих перемещений двух точек, взятых на противоположных гранях образца и расположенных в одной плоскости его поперечного сечения. Тогда перемещения образца от действия изгибающего момента будут определены как:
пр
где f - перемещения конструкции (прогиб), обусловленные действием изгибающего момента;
max
min
f, f - значения вертикальных перемещений двух точек, взятых на противоположных гранях образца и расположенных в одной плоскости его поперечного сечения (расчетного сечения).
Перемещения образца, возникающие от действия крутящего момента, могут быть определены с учетом формулы (1) следующим образом:
Теперь, зная величину перемещений образца по горизонтали, по известным свойствам прямоугольного треугольника с учетом формул (1) и (2) можно определить угол треугольника по известным катетам, который в свою очередь и будет являться углом закручивания образца в рассматриваемом расчетном сечении:
где L - расстояние от продольной оси железобетонного элемента до оси прогибомера.
Определение полного угла закручивания по данному способу подразумевает устройство двух узлов определения угла закручивания, расположенных в сечениях, испытывающих максимальное кручение. За счет того, что нагрузка передается на конструкцию через направленные в разные стороны вылеты оголовников, строительная конструкция будет подвержена одновременному воздействию изгибающего и крутящего моментов, а соответственно будет испытывать деформации, обусловленные двумя силовыми факторами: изгибом конструкции и разнонаправленным кручением двух половин конструкции, обусловленным действием противоположных по направлению крутящих моментов. Соответственно полный угол закручивания конструкции будет определен как сумма углов закручивания обеих частей.
По приведенным выше формулам выполняется расчет угла закручивания и прогиба рассматриваемого сечения. При этом стоит отметить, что данный способ испытания позволяет определить изменение угла закручивания и прогиба расчетного сечения на всех этапах нагружения образца. Более того, применение электронных прогибомеров, например типа WayCon марки SL50-G-SR, позволяет определить углы закручивания и прогиб рассматриваемых сечений при воздействии на образец кратковременной динамической нагрузки.
Применение указанного способа в отличие от прототипа позволяет определить не только прочностные характеристики исследуемых образцов, но и качественное и количественное значение перемещений, возникающих под действием двух силовых факторов: изгиба с кручением. В технике не известны способы, позволяющие прямым или косвенным способом определить угол закручивания конструкции при кратковременном динамическом воздействии, а также достоверно определить прогиб конструкции при ее сложном деформировании. Применение данного способа позволяет отследить изменение углов поворота и прогибы конструкции на всем временном интервале ее нагружения независимо от его скоротечности.
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.
Изобретение промышленно применимо, поскольку его можно многократно использовать при испытании строительных элементов или конструкций зданий и сооружений.
Изобретение пояснено чертежами.
На фиг. 1 изображен стенд для испытания железобетонного элемента на изгиб с кручением при кратковременном динамическом нагружении (фото).
На фиг. 2 изображен стенд для испытания железобетонного элемента на изгиб с кручением при статическом нагружении (фото).
На фиг. 3 представлен вариант крепления прогибомеров к строительной конструкции.
На фиг. 4 представлен вариант крепления прогибомеров к силовому полу.
На фиг. 5 изображена модель испытательного стенда на воздействие изгибающего и крутящего моментов при кратковременном динамическом нагружении до приложения нагрузки.
На фиг. 6 то же, что и на фиг. 5, но после приложения нагрузки.
На фиг. 7 представлена принципиальная схема работы устройства для определения угла закручивания одной из частей испытуемого образца.
1
2
На фиг. 8 приведены графики зависимости угла закручивания φ и φ от величины прикладываемой нагрузки Р для каждого расчетного сечения.
На фиг. 9 приведен график зависимости полного угла закручивания φ от величины прикладываемой нагрузки Р, полученный сложением кривых на фиг. 8.
Способ выполняют следующим образом.
В качестве примера применения предложенного способа рассмотрено испытание железобетонного элемента с поперечным сечением b×h=200×100 мм длиной 2000 мм на действие изгибающего и крутящего моментов при кратковременном динамическом нагружении.
Сначала, как и в прототипе, железобетонный элемент 1 устанавливается на опоры 2, в заданных местах крепятся оголовники с рычагами 3, на концы оголовников устанавливается распределительная траверса 4, передающая нагрузку на оголовники 3. При этом прикладываемая нагрузка может быть статической и создаваться с помощью гидравлического оборудования, обеспечивающего требуемое давление (воздействие) на распределительную траверсу (фиг. 2), или кратковременной динамической за счет передачи нарастающей энергии падающего на распределительную траверсу груза (фиг. 1).
После сборки испытательного стенда (фиг. 1, фиг. 2) в намеченных заранее двух расчетных сечениях выполняют устройство для измерения угла закручивания конструкции. Основания электронных прогибомеров 6 жестко фиксируются на силовом полу (фиг. 4). На каждую из двух половин конструкции в непосредственной близости с рычагом оголовника симметрично относительно центральной оси элемента в его поперечном направлении устанавливают балку 5 (фиг. 3), имеющую одинаковые вылеты за грань железобетонного элемента. К балке 5 на одинаковом расстоянии от продольной оси элемента крепят штоки электронных прогибомеров 6, подключенных к измерительной системе. При этом соединение штоков с балкой должно исключить горизонтальные перемещение штока совместно с балкой при ее повороте. В конкретном данном примере это осуществляется шарнирным креплением штока на подвижной каретке 7, способной свободно перемещаться по длине балки.
Далее производится нагружение образца посредством падения груза на распределительную траверсу, в результате чего железобетонный образец прогибается под действием приложенной нагрузки и испытывает интенсивное кручение за счет наличия эксцентриситета приложения нагрузки (фиг. 6). Электронные прогибомеры 6 фиксируют изменение положения точек, расположенных на балке 5, на протяжении всего времени действия нагрузки.
max
min
пр
кр
Принцип работы устройства для измерения угла закручивания конструкции заключается в следующем. На балке 5, установленной на образце 1, выбираются две точки А и В, расположенные на противоположных концах балки на одинаковом расстоянии от продольной оси элемента О, куда устанавливаются штоки электронных прогибомеров 6. Под одновременным действием изгибающего и крутящего моментов сечения образца изменяют свое положение в пространстве, и ранее намеченные точки оказываются в положении А″ и В″ (фиг. 7) соответственно. Данные вертикальные перемещения фиксируются прогибомерами и являются исходной информацией f и f, необходимой и достаточной для определения угла закручивания образца и прогиба в данном сечении. Данные перемещения можно представить в виде суммы перемещений, вызванных действием изгибающего момента f=АА′=ВВ′, и перемещений, обусловленных действием крутящих моментов f=А′А″=В′В″. Тогда перемещения образца от действия изгибающего момента (прогиб) будут определены как:
пр
где f - перемещения конструкции (прогиб), обусловленные действием изгибающего момента;
max
min
f, f - значения вертикальных перемещений двух точек, взятых на противоположных гранях образца и расположенных в одной плоскости его поперечного сечения (расчетного сечения).
Перемещения образца, возникающие от действия крутящего момента, могут быть определены следующим образом:
кр
где f - перемещения конструкции, обусловленные действием крутящего момента.
Зная величину перемещений образца по горизонтали, по известным свойствам прямоугольного треугольника можно определить угол треугольника по известным катетам, который в свою очередь и будет являться углом закручивания образца в рассматриваемом расчетном сечении:
Полный угол закручивания определяют как сумму углов закручивания двух разных частей, имеющих деформации кручения одного знака по всей длине части:
1
2  ,
φ=φ+φ
1
где φ - абсолютный угол закручивания испытуемого образца на одном конце образца вблизи оголовника;
2
φ - абсолютный угол закручивания испытуемого образца на втором конце образца вблизи оголовника.
Таким образом, измеряя изменение положения двух точек расчетного сечения в пространстве, с помощью предложенного способа можно определить прогибы и углы закручивания для каждого сечения образца, а также полный угол закручивания конструкции (фиг. 6, фиг. 9).
max,1
min,1
max,2
min,2
Определим полный угол закручивания для приведенного примера. В ходе испытаний были получены перемещения точек f, f и f, f, попарно расположенных в расчетных сечениях 1 и 2 железобетонного элемента (с двух противоположных концов, вблизи оголовников), которые представлены в таблице:
Расчеты абсолютных вертикальных прогибов железобетонного элемента для сечений 1 и 2 показаны на примере для максимальной достигнутой при испытании нагрузки 39,24 кН, который производится следующим образом:
Абсолютные углы закручивания для расчетных сечений с учетом расстояния от центральной оси элемента до расчетных точек:
И соответственно абсолютный (полный) угол закручивания конструкции составит:
1
2
φ=φ+φ=0,0122+0,0076=0,0198 рад.
Применив данный способ вычисления углов закручивания для всех точек, можно получить графики зависимости развития абсолютных величин углов закручивания от нагрузки (фиг. 8, фиг. 9).
Таким образом, заявленный способ позволяет получить полную картину напряженно-деформированного состояния испытуемого образца от воздействия нагрузки.