СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ПРОДАВЛИВАНИЕ ПРИ КРАТКОВРЕМЕННОЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЗКЕ
BENCH FOR TESTING REINFORCED CONCRETE ELEMENTS FOR FORCING AT SHORT-TERM DYNAMIC LOAD

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к машинам для испытания бетонных и железобетонных образцов на продавливание при ударных нагрузках.
Экспериментальные испытания бетонных и железобетонных элементов на различные виды динамических нагрузок необходимы для определения свойств серийно изготавливаемых, эксплуатируемых или перспективных строительных конструкций, проверки их расчетных характеристик и качества.
Из уровня техники, например, известен стенд для испытания бетонных и железобетонных элементов на продольное центральное и внецентренное кратковременное динамическое сжатие по патенту на изобретение RU 2315969, МПК G01N 3/30, опубл. 27.01.2008. Данный стенд включает в себя установленные на опорном основании вертикальные направляющие, на которых с возможностью вертикального возвратно-поступательного перемещения закреплена траверса с грузом, и узел крепления нижнего конца испытываемого образца. На верхний конец испытываемого образца надет оголовок, на котором установлен силоизмеритель. По обе стороны от испытываемого образца установлены две полые цилиндрические насадки, каждая из которых неподвижно соединена с соответствующей ее стороне вертикальной направляющей. В полости каждой из насадок по всей длине до упора с возможностью кручения в двух взаимно противоположных направлениях размещен шток. Свободные концы штоков неподвижно соединены с оголовком. Нижний конец испытываемого образца снабжен дополнительной опорой, посредством которой он неподвижно закреплен на опорном основании стенда, а опорное основание установлено на силовом полу. Кроме этого, стенд снабжен пластиной для распределения напряжений на силовой пол, которая установлена под дополнительной опорой, а дополнительная опора защемлена на опорном основании посредством крепежных уголков. Конструкция верхнего и нижнего узлов крепления испытываемого образца позволяет предотвратить горизонтальное смещение концов образца, но не препятствует их угловому перемещению относительно соответствующих им узлов. Данный стенд позволяет проводить испытание бетонных и железобетонных колонн на центральное и внецентренное сжимающее кратковременное динамическое воздействие и создать напряженно-деформированное состояние, приближенное к условиям их эксплуатации при жестком варианте закрепления нижней части образца. Недостатком стенда является то, что он не позволяет выполнить испытания железобетонных элементов на продавливание при ударных нагрузках и замерить опорную реакцию.
В последние годы все чаще возникает необходимость проектирования железобетонных конструкций, на которые возможно воздействие интенсивных кратковременных динамических нагрузок.
Подобные нагрузки могут возникнуть при воздействии на сооружения ударных волн вследствие взрывов при авариях или террористических актах, природных или техногенного катастрофах, из-за падения тяжелого груза и т.п. 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. Такие нагрузки характеризуются резким нарастанием фронта, коротким сроком действия и волновым характером воздействия.
Из литературных источников (например, Попов Н.Н., Расторгуев Б.С. Динамический расчет железобетонных конструкций М., Стройиздат, 1974, 207 с.) известно, что строительная конструкция может воспринять большую по величине кратковременную динамическую нагрузку по сравнению со статической. Это 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. То есть физические процессы, происходящие при кратковременном динамическом нагружении отличаются от процессов при статическом нагружении того же элемента.
Это требует изучения поведения железобетонных элементов при кратковременных динамических нагрузках и создания соответствующего испытательного оборудования.
Наиболее близким известным устройством, принятым за прототип, является стенд для испытания строительных конструкций на действие кратковременной динамической сжимающей нагрузки по евразийскому патенту на изобретение 027933 B1 Int. C1. G01M 7/08, G01N 3/303, опубл. 29.09.2017.
Согласно прототипу, стенд содержит силовой пол, на котором жестко закреплено опорное основание, опору для установки испытываемого образца, содержащую опорную пластину, установленную на силовом полу, опорный силоизмеритель, жестко закрепленный на опорной пластине, вертикальные направляющие, установленные на опорном основании, траверсу с грузом, закрепленную на направляющих. Стенд содержит оголовок, надетый на верхний конец испытываемого образца и верхний силоизмеритель. Кроме того, стенд содержит две полые цилиндрические насадки, установленные горизонтально по обе противоположные стороны от испытываемого образца и каждая из которых неподвижно соединена с вертикальной направляющей. Имеется два штока, размещенные в полостях соответствующих цилиндрических насадок с возможностью кручения в двух направлениях, свободные концы которых неподвижно соединены с оголовком верхнего конца испытываемого образца. В состав стенда входит металлический шар, установленный между силоизмерителем и нижним концом испытываемого образца. При этом нижний конец испытываемого образца снабжен оголовком для установки в нем образца, опирающимся на опорный силоизмеритель через металлический шар при помощи металлической насадки. По обе противоположные стороны от испытываемого образца дополнительно горизонтально установлены еще две полые цилиндрические насадки, неподвижно закрепленные одной стороной на вертикальных направляющих и также размещенные в полостях соответствующих цилиндрических насадок, свободные концы которых неподвижно соединены с оголовком нижнего конца испытываемого образца. Силоизмеритель установлен на оголовке через жестко закрепленную на оголовке при помощи болтов накладку, являющуюся сменным элементом конструкции стенда и состоящую из металлической пластины и жестко закрепленного на ней опорного кольца, посредством которого верхний силоизмеритель жестко фиксируется на накладке. Опорное кольцо может быть расположено в центре металлической пластины или смещено в горизонтальном направлении относительно центра металлической пластины. На верхний силоизмеритель установлена насадка-демпфер, при этом нижняя пластина в центральной части нижней стороны снабжена опорным кольцом, посредством которого обеспечивается фиксация на верхнем силоизмерителе. Стенд позволяет проводить испытание строительных конструкций на действие центральной, внецентренной и косой внецентренной кратковременной динамической сжимающей нагрузки и испытывать конструкции с пониженной жесткостью и повышенной гибкостью, а также позволяет определять опорную реакцию. Однако на данном стенде нет возможности произвести испытания железобетонных элементов на продавливание при кратковременном динамическом нагружении, а также нет возможности определить опорную реакцию, в связи с тем, что при испытаниях на продавливание она носит не точечный, а пространственный характер.
Новый технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, заключается в формировании в экспериментальном образце, работающем на продавливание при ударно-волновом воздействии, напряженно-деформированного состояния и определении его опорной реакции с учетом пространственного характера ее возникновения.
Технический результат достигается следующим образом.
Заявляемый стенд содержит силовой пол, на котором жестко закреплено опорное основание через ручьи силового пола, вертикальные направляющие, закрепленные на опорном основании, имеющие ограничители падения груза, состоящие из муфт (хомутов), закрепленных болтами к вертикальным направляющим через резиновые прокладки. Груз, закрепленный на вертикальных направляющих, имеет возможность вертикального возвратно-поступательного перемещения, и при помощи которого создается кратковременная динамическая нагрузка на экспериментальный образец, сверху на который установлен силоизмеритель с насадкой-демпфером, при этом насадка-демпфер состоит из двух металлических опорных пластин и расположенного между ними комплекта резиновых прокладок. Насадка-демпфер служит для увеличения времени действия нагрузки на экспериментальный образец и состоит из двух металлических опорных пластин и расположенного между ними комплекта резиновых прокладок. Изменяя количество прокладок можно корректировать время действия нагрузки. Путем изменения веса груза меняет величина нагрузки.
Для работы стенда изготавливается экспериментальный образец, состоящий из плитной и колонной части, при этом металлический оголовок колонной части имеет цилиндрические пазы для установки стержня ограничителя перемещений. Для реализации возможности ограничения перемещений на вертикальных направляющих копровой установки на определенном уровне установлена стяжная металлическая рама, представляющая собой два металлических уголка с ребрами жесткости, стянутая при помощи тяжей и гаек через резиновые прокладки на вертикальных направляющих. Сверху по центру стяжной металлической рамы приварено два уголка с овальными прорезями, в которые для реализации возможности ограничения перемещения вставляется стержень ограничитель перемещений.
Силоизмеритель устанавливается в нижний оголовок, в котором снизу имеется цилиндрический паз для установки на стержень ограничитель перемещений.Сверху на силоизмеритель одевается верхний оголовок, на который с помощью кольцевого паза установлена насадка-демпфер. Насадка-демпфер при помощи страховочных канатов закреплена к стяжной металлической раме, во избежание падения в процессе испытания. Экспериментальный образец плитной частью опирается на специальный опорный элемент, представляющий собой сборно-разборную металлическую раму. Для закрепления к силовому полу и обеспечения отсутствия смещений опорного элемента при динамических испытаниях предусмотрены крепления талрепами и тяжами с гайками через ручьи силового пола.
В связи с тем, что опорная реакция при падении груза на строительную конструкцию имеет пространственный характер и распределяется по периметру неравномерно за счет несносности, обмятий, смещений при монтаже и т.д. необходимо иметь совокупность измерительных датчиков, распределенных по каждой из четырех сторон опорного элемента. Измерительные датчики соединены кабелями с измерительной системой. Показания измерительных датчиков в сумме дают значения опорной реакции, а анализ показаний каждого датчика в отдельности позволяет получить картину распределения опорной реакции с учетом пространственности ее возникновения.
В качестве измерительных датчиков могут использоваться тензометрические датчики.
В заявляемом устройстве используемый тензометрический датчик может быть реализован, например, сборным из четырех частей (по одному на каждой стороне опорного элемента), при этом каждая из частей содержит по четыре точки измерения, распределенных по длине. В данном тензометрическом датчике имеются четыре рабочих тензорезистора, которые наклеены на поверхность опорного элемента. Для исключения замыкания на металл в местах выхода выпусков рабочих тензорезисторов предусмотрен изолирующий материал. Рядом наклеена площадка для распайки. Все рабочие тензорезисторы последовательно соединены проводами. На опорный элемент также наклеена недеформируемая непроводящая площадка, на которой расположены четыре компенсационных тензорезистора. Все компенсационные тензорезисторы также последовательно соединены проводами, и также имеют площадки для распайки. Рабочие тензорезисторы и компенсационные тензорезисторы на каждой из сторон опорного элемента представляют собой отдельный тензометрический датчик, они объединены по полумостовой схеме и подключены к измерительной системе посредством кабеля. Для всех тензорезисторов предусмотрена термоизоляция.
Изобретение пояснено чертежами.
На фиг. 1 изображен стенд для испытания железобетонных элементов на продавливание при кратковременной динамической нагрузке. На фиг. 2 изображен опорный элемент и одна из его сторон с изображением тензометрического датчика для определения опорных реакций. На фиг. 3 приведена схема соединения тензорезисторов тензометрического датчика. На фиг. 4 приведен общий вид реализованного стенда для испытания железобетонных элементов на продавливание при кратковременной динамической нагрузке.
На чертежах показаны:
1 - силовой пол;
2 - вертикальные направляющие;
3 - опорное основание;
4 - ручьи силового пола;
5 - экспериментальный образец;
6 - опорный элемент;
7 - талрепы;
8 - тяжи с гайками;
9 - металлический оголовок колонны;
10 - стержень - ограничитель перемещений;
11 - металлическая рама;
12 - уголок с овальными прорезями;
13 - силоизмеритель;
14 - нижний оголовок силоизмерителя
15 - верхний оголовок силоизмерителя;
16 - насадка-демфер;
17 - страховочные канаты; 18-груз;
19 - ограничители падения груза;
20 - рабочие тензорезисторы;
21 - изолирующий материал;
22 - площадка для распайки;
23 - провода;
24 - непроводящая площадка;
25 - компенсационные терморезисторы;
26 - кабели;
27 - термоизоляция;
28 - измерительная система.
Представленный стенд для испытания железобетонных элементов на продавливание при кратковременном динамическом нагружении содержит
силовой пол 1, на котором жестко закреплено опорное основание 3 через ручьи 4 силового пола 1,
вертикальные направляющие 2, закрепленные на опорном основании 3, имеющие ограничители падения груза 19, состоящие из муфт (хомутов), закрепленных болтами к вертикальным направляющим через резиновые прокладки,
груз 18, закрепленный на вертикальных направляющих 2, с возможностью вертикального возвратно-поступательного перемещения, при помощи которого создается кратковременная динамическая нагрузка на экспериментальный образец 5, сверху которого установлен силоизмеритель 13 с насадкой-демпфером 16, состоящей из двух металлических опорных пластин и расположенного между ними комплекта резиновых прокладок. При этом в конструкции стенда имеются:
специальный опорный элемент 6, представляющий собой сборно-разборную металлическую раму и имеющий крепления талрепами 7 и тяжами с гайками 8 к ручьям силового пола 1 для закрепления к силовому полу 1 и обеспечения отсутствия его смещений при динамических испытаниях.
стяжная металлическая рама 11 для реализации возможности ограничения перемещений на вертикальных направляющих копровой установки, представляющая собой два металлических уголка с ребрами жесткости, стянутых при помощи тяжей и гаек через резиновые прокладки на вертикальных направляющих, а сверху по центру стяжной металлической рамы прикреплены два уголка 12 с овальными прорезями, в которые вставляется стержень ограничитель перемещений 10,
стержень ограничитель перемещений 10,
нижний 14 и верхний 15 оголовки силоизмерителя 13.
Экспериментальный образец 5 состоит из плитной и колонной части, его плитная часть опирается на опорный элемент 6, а металлический оголовок колонной части имеет цилиндрические пазы для установки стержня ограничителя перемещений 10.
Стержень ограничитель перемещений 10 проходит через цилиндрические отверстия в уголках на стяжной металлической раме 11, фиксируется в цилиндрических пазах в металлического оголовка колонной части экспериментального образца 5 и служит для реализации возможности ограничения перемещения.
Силоизмеритель 13 устанавливается в нижний оголовок 14, который в свою очередь с помощью цилиндрического паза устанавливается на стержень ограничитель перемещений 10, а сверху на силоизмеритель 13 надевается верхний оголовок 15, на который с помощью кольцевого паза установлена насадка-демпфер 16, закрепленная при помощи страховочных канатов 17 к стяжной металлической раме 11.
На каждой из четырех сторон опорного элемента 6 размещены измерительные датчики, соединенные кабелями 26 с измерительной системой 28.
В качестве измерительных датчиков могут использоваться тензометрические датчики. Например, используемые тензометрические датчики могут иметь конструкцию, состоящую из четырех рабочих тензорезисторов 20, наклеенных на поверхность опорного элемента 6, при этом в местах выхода выпусков рабочих тензорезисторов 20 предусмотрен изолирующий материал 21, а рядом наклеена площадка для распайки 22. В данном исполнении все рабочие тензорезисторы последовательно соединены проводами 23, а на опорный элемент 6 также наклеена недеформируемая непроводящая площадка 24, на которой расположены четыре, соединенных последовательно проводами 23 на площадках для распайки 22, компенсационных тензорезистора 25, при этом рабочие 20 и компенсационные тензорезисторы 25 объединены по полумостовой схеме и подключены к измерительной системе посредством кабеля 26, при этом для всех тензорезисторов предусмотрена термоизоляция 27.
Принцип действия стенда заключается в следующем: перед испытанием стержень ограничитель перемещений 10 необходимо установить на такую высоту от низа уголков с овальными прорезями 12, на которую необходимо ограничить величину максимальных прогибов экспериментального образца 5 при испытании. После приложения нагрузки стержень ограничитель перемещений 10 переместится вниз в овальных прорезях и упрется в стяжную металлическую раму 11, которая за счет своего жесткого крепления к вертикальным направляющим 2 ограничит перемещение. Ограничители падения груза 19 необходимо выставить на необходимую отметку по высоте, для ограничения перемещения груза 18 при испытании. При необходимости создания эксцентриситета приложения динамической нагрузки стержень ограничитель перемещений 10 устанавливается не в центральный цилиндрический паз металлического оголовка колонны 9.
После подключения всех датчиков к измерительной системе 28 происходит испытание. Нагрузка на экспериментальный образец 5 передается путем падения груза 18 с заданной высоты по вертикальным направляющим 2.
Результат воздействия нагрузки на экспериментальный образец регистрируется измерительными датчиками и передается по кабелям 26 в измерительную систему 28.
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет проводить испытания железобетонных элементов на продавливание при действии кратковременной динамической нагрузки и определять опорную реакцию с учетом пространственного характера ее возникновения.