АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ МОДЕЛЕЙ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ОБОЛОЧЕК И ПЛИТ

Полезная модель относится к испытательной технике в области строительства, а более конкретно - к устройствам для испытания моделей железобетонных оболочек и плит покрытий зданий и сооружений на кратковременное динамическое нагружение, и может найти применение для испытания статически нагруженных моделей оболочек и плит на кратковременную внешнюю или внутреннюю динамическую нагрузку, вплоть до полного разрушения конструкции оболочки.
Аналогом заявляемого устройства является устройство для реализации способа определения динамического догружения в железобетонных рамно-стержневых системах (патент на изобретение RU №2380672). Данное устройство для определения динамического догружения в железобетонных рамно-стержневых системах содержит опорные стойки, закрепленные на опорной балке с помощью стоек с подкосами на винтовых упорах, ригели, соединенные жестко или шарнирно с опорными стойками в узлах рамно-стержневой системы с помощью соединительных элементов. Узел над промежуточной опорой выполнен с помощью прокалиброванного сварного соединительного элемента. Устройство содержит также рычажную систему и грузовую платформу. Загружение рамно-стержневой системы заданной проектной статической нагрузкой осуществляют через рычажную систему и грузовую платформу, и от приложения заданной нагрузки создают внезапное хрупкое разрушение соединительного элемента, выполненного сварным и калиброванным с заранее фиксированным усилием хрупкого разрыва по сварному шву. После чего измеряют параметры созданного динамического догружения в неразрушенных стойках и ригелях рамно-стержневой системы от внезапного хрупкого разрыва прокалиброванного сварного соединительного элемента. Для получения необходимых параметров напряженно-деформируемого состояния системы используется комплекс измерительных приборов.
Данное устройство позволяет обеспечить статическое и кратковременное динамическое нагружение и, соответственно, оценить динамическое догружение в железобетонных рамно-стержневых системах в запредельных состояниях. Однако, стенд не позволяет получить воспроизведение результатов эксперимента образцов одной серии, кроме того данный стенд не позволяет испытывать конструкции в виде цилиндрической оболочки.
За прототип принят стенд для испытания оболочек на кратковременную динамическую нагрузку (Болдышев A.M., Плевков B.C. Экспериментальное исследование железобетонных пологих оболочек с центральным отверстием при импульсном нагружении // Исследования по строительным конструкциям и строительной механике. - Томск, издательство ТГУ, 1978. - 157 с, с.3-8). Стенд содержит металлическую балку-рычаг, один конец которой шарнирно закреплен на стойке, установленной на силовом полу. Ко второму, свободному, концу металлической балки-рычага через трехзвенный стержневой шарнирный механизм подвешен поддон с грузом. Стержень шарнирного механизма, на котором через шарнирное соединение подвешен поддон с грузом, выполнен разъемным. В месте разъема установлен механический замок. Со стороны шарнирно закрепленного конца металлической балки-рычага на силовом полу закреплена вогнутая железобетонная матрица для испытуемой перевернутой (вогнутой) модели железобетонной оболочки. Сверху железобетонной матрицы под испытуемой моделью уложен резиновый мешок с водой, снабженный датчиком давления. Датчик давления подключен к измерительной аппаратуре. Для создания статической нагрузки служит сварная рамно-стержневая пирамида, ребра которой опираются на испытуемую модель железобетонной оболочки, а вершина упирается в балку-рычаг. В состав стенда входит также тяж, установленный вертикально на силовом полу и закрепленный на свободном конце металлической балки-рычага с помощью ограничительной гайки. Тяж расположен между поддоном с грузом и железобетонной матрицей. Он препятствует подъему свободного конца металлической балки-рычага во время падения поддона с грузом в процессе испытаний. В процессе испытаний датчиками производится измерение давления и перемещений моделей, а также, запись осциллограмм.
Необходимость определения напряженно-деформированного состояния цилиндрических оболочек при внутреннем кратковременном динамическом нагружении вызвана необходимостью обеспечения максимальной сохранности конструкции от внешнего и внутреннего динамического воздействия, величина которого учитывается при проектировании конструкций.
Данный стенд позволяет получить напряженно-деформированное состояние цилиндрической оболочки под действием кратковременной динамической нагрузки. Однако, конструкция стенда затрудняет синхронизацию записи результатов динамических испытаний и момента размыкания замка. Проведение испытания при наличии механического замка предполагает одновременное участие двух лаборантов (один лаборант размыкает замок путем нанесения удара, другой - включает измерительную аппаратуру в момент удара). Из-за несинхронности действий лаборантов вероятно допущение большой погрешности в результатах эксперимента. Данная конструкция стенда не предусматривает проведение автоматизированного эксперимента, вследствие чего сужается область измеряемых показателей в процессе испытаний. Кроме того, не обеспечивается безопасность проведения испытания, так как необходимо присутствие участника эксперимента, обеспечивающего размыкание замка вблизи конструкции, подверженной полному разрушению.
Задача полезной модели - обеспечение проведения автоматизированного эксперимента с оптимизацией объема хранимой информации регистрируемых экспериментальных данных и получение более полной и объективной картины напряженно-деформированного состояния испытуемых моделей с одновременным повышением техники безопасности.
Технический результат заключается в обеспечении синхронизации процессов запуска испытаний и измерения получаемых при нагружении показателей и повышении точности испытаний.
Технический результат и решение задачи достигаются следующим образом.
Заявляемый стенд, как и прототип, содержит балку-рычаг, один конец которой шарнирно закреплен на стойке, установленной на силовом полу, железобетонную матрицу для испытуемой модели, закрепленную на силовом полу, и резиновый мешок с водой, уложенный сверху железобетонной матрицы под испытуемой моделью. Для контроля давления воды в резиновом мешке служит датчик, подключенный к измерительной аппаратуре. Так же, как и прототип, заявляемый стенд содержит сварную рамно-стержневую пирамиду, ребра которой, например через шаровые опоры, опираются на испытуемую модель, а вершина упирается в балку-рычаг. На свободном конце балки-рычага закреплен трехзвенный стержневой шарнирный механизм. Один из стержней шарнирного механизма выполнен разъемным и снабжен в месте разъема замком. На разъемном стержне шарнирного механизма подвешен поддон с грузом. На силовом полу между поддоном с грузом и железобетонной матрицей установлен вертикальный тяж, который закреплен с помощью ограничительной гайки на свободном конце балки-рычага. Как и прототип, стенд содержит датчики давления, деформации и перемещения.
В отличие от прототипа в заявляемый автоматизированный стенд для испытания моделей железобетонных оболочек и плит содержит блок измерения и программного обеспечения, например MIC-400, включающий в себя панель управления, измерительную компьютерную систему и устройство синхронизации запуска эксперимента, при этом блок измерения и программного обеспечения соединен с датчиком контроля давления воды в резиновом мешке, датчиками давления, деформации и перемещения, и замком, установленном на разъемном стержне шарнирного механизма, а указанный замок выполнен электромеханическим.
В качестве датчиков перемещения могут быть использованы акселерометры, установленные на внешней поверхности и внутри испытуемой модели, и прогибомеры, установленные между силовым полом и исследуемыми точками испытуемой модели. В качестве датчиков деформации - тензорезисторы, установленные на внешней поверхности, внутри и на арматуре испытуемой модели. В качестве датчиков давления - месдозы, установленные на внешней поверхности и внутри испытуемой модели.
В отличие от прототипа заявленная полезная модель за счет автоматизации процесса испытания позволяет получить полную и объективную картину напряженно-деформировнного состояния. Происходит оценка кратковременного динамического воздействия с помощью установки необходимого количества мессдоз и закладных или установленных на поверхности акселерометров в исследуемые точки испытуемой модели оболочки, для измерения величины входного давления между резиновым мешком, заполненным водой, и испытываемой цилиндрической оболочкой. Происходит оценка напряженного состояния на поверхности и внутри испытываемой конструкции помощью закладных тензорезисторов, установленных на арматуру. Измеряются величины опорных реакций в местах установки шаровых опор с помощью тензометрических силоизмерителей.
Предложенная совокупность существенных признаков, характеризующих заявляемую полезную модель, в известных источниках информации не обнаружена, что подтверждает новизну полезной модели
Применение стенда позволяет получить напряженно-деформированное состояние в результате испытания при кратковременном динамическом нагружении с полным разрушением конструкции и различным сочетанием характера нагрузки (внешнее, внутреннее нагружение, варьирование массой груза, высотой падения груза).
Полезная модель пояснена чертежами. На фиг.1 приведен общий вид заявляемого автоматизированного стенда для моделирования действия взрывной волны на внутреннюю и внешнюю поверхность цилиндрической оболочки. На фиг.2 приведена схема расположения датчиков на испытуемой модели. На фиг.3 представлен трехзвенный шарнирный механизм с электромеханическим замком, где позиция «А» - исходное состояние (до падения поддона с грузом), позиция «Б» - вид шарнирного механизма после падения груза.
Конструкция стенда состоит из тяжа 1 с ограничительной гайкой 2, металлической балки-рычага 3, один конец которой шарнирно закреплен на стойке, установленной на силовом полу (на чертеже не показана), а на другом конце металлической балки-рычага через узел 24 подвешен поддон 6 с грузом 7. Узел 24 состоит из трехзвенного шарнирного механизма (фиг.3), на разъемном стержне 4 которого подвешен электромеханический замок 5. Узел 24 вместе с металлической балкой-рычагом 3 и поддоном 6 с грузом 7 обеспечивает статическую нагрузку, которая передается через сварную рамно-стержневую пирамиду 8, опертую через шаровые опоры 9 на испытуемую модель оболочки 10. Испытуемая модель оболочки 10 через резиновый мешок 11 с водой опирается на выпуклую железобетонную матрицу 12, которая установлена на силовой пол 13. Стенд содержит также датчик давления 14, подключенный к блоку измерения и программного обеспечения 23. Оценка кратковременного динамического воздействия происходит с помощью установки месдоз 15 (фиг.2) и закладных или установленных на поверхности акселерометров 16, Напряженное состояния на поверхности и внутри испытываемой конструкции фиксируется с помощью закладных и поверхностных тензорезисторов 17. Измеряются величины опорных реакций в местах установки шаровых опор с помощью тензометрических силоизмерителей 18. Результаты перемещений фиксируются прогибомерами 19. Блок измерения и программного обеспечения 23 включает панель управления 20, устройство синхронизации запуска эксперимента 21, и измерительную компьютерную систему 22. В качестве блока измерения и программного обеспечения 23 может быть использована система MIC-400. Блок измерения и программного обеспечения 23 соединен с электромеханическим замком 5 узла 24 (фиг.2) и всеми датчиками.
Полезная модель промышленно применима, ее можно многократно реализовать с достижением указанного технического результата.
Работа устройства заключается в следующем. Резиновый мешок 11 укладывается на выпуклую железобетонную матрицу 12, установленную на силовом полу 13. Давление воды контролируется датчиком давления 14, подключенным к блоку измерения и программного обеспечения 23. На мешке 11 размещают испытуемую модель, в качестве которой может быть использована модель цилиндрической оболочки, как со сплошным полем, так и с наличием центрального (фонарного) отверстия. Статическая нагрузка создается металлической балкой-рычагом 3 и подвешенным поддоном 6 с грузом 7. Динамическая нагрузка создается массой падающего груза 7. Силу удара можно варьировать путем изменения массы груза 7 с помощью поддона 6 и высоты падения груза. Тяж 1 обеспечивает горизонтальное положение металлической балки-рычага 3 в момент размыкания электромеханического замка 5 (фиг.3) узла 24 (фиг.2). Через сварную пирамиду 8 нагружение передается через шаровые опоры 9 на испытуемую модель оболочки 10, уложенную поверх резинового мешка 11, заполненного водой. Начало испытания осуществляется командой на запуск эксперимента 20, затем включается устройство синхронизации запуска эксперимента 21, и после чего электрический сигнал от устройства синхронизации запуска эксперимента 21 передается измерительной компьютерной системе 22. В общей совокупности устройство синхронизации запуска эксперимента 21 и измерительная компьютерная система 22 представляет собой блок измерения и программного обеспечения 23. От блока измерения и программного обеспечения 23 передается электрический сигнал к узлу электромеханического замка 24, который его размыкает, что приводит к падению груза 7 на поддоне 6 и действию внутренней кратковременной нагрузки на испытуемую модель оболочки 10. Испытания моделей оболочек проводят до полного разрушения. В процессе испытания производится оценка кратковременного динамического воздействия с помощью установки необходимого количества месдоз 15 и закладных или установленных на поверхности акселерометров 16 в исследуемые точки испытуемой модели оболочки. Для измерения величины входного давления между резиновым мешком, заполненным водой, и испытываемой цилиндрической оболочкой используют датчик давления 14, подключенный к блоку измерения и программного обеспечения 23. Оценка напряженного состояния на поверхности и внутри испытываемой конструкции происходит с помощью поверхностных и закладных тензорезисторов 17, установленных соответственно на поверхность бетона оболочки и на арматуру. Измеряются величины опорных реакций в местах установки шаровых опор с помощью тензометрических силоизмерителей 18. Измерение величины прогибов фиксируется с помощью прогибомеров 19. Все данные поступают в блок измерения и программного обеспечения 23, где происходит их автоматизационная обработка согласно введенной программе.
Работа устройства показана на примере модели выпуклой цилиндрической оболочки. Испытание иной формы моделей цилиндрических оболочек и плит происходит аналогично приведенному примеру при использовании соответствующих форм железобетонных матриц.