Роль и возможности экспериментальных методов

Лекция №1 Роль и возможности экспериментальных методов   1)           Уточнение расчетной схемы: -       идеализированы условия закрепления, соединения; -       чем ближе расчетная схема к действительности, тем достовернее результаты расчета; -       в процессе эксплуатации расчетная схема может измениться; -       возможно наступление предельных состояний, также изменяющих расчетную схему.         Современные экспериментальные методы позволяют определить напряженно-деформированное состояние любых элементов строительных конструкций. Весь этот комплекс вопросов можно изучить только экспериментально.   2)           Изучение и нормирование действующих нагрузок на конструкции и сооружения: -       оценка изменчивости нагрузок в процессе эксплуатации, изучение их статистических свойств и особенностей;        Все таблицы СНиП «Нагрузки и воздействия» и все коэффициенты по надежности получены вероятностной обработки большого объема экспериментальных исследований.   3)           Замена расчета экспериментальным определением напряженно-деформированного состояния идеализированных систем (моделирование) -       методы подобия и моделирования позволяют определить усилия в натурных конструкциях по результатам испытаний геометрически (физически) подобной модели; -       для сложных пространственных конструкций применение аналитических методов становится затруднительным и дает слишком приблизительный результат; -       целесообразно заменить расчет механическим моделированием, ибо даже идеализированная модель более полно, чем расчетная схема отражает влияние формы конструкции, условий закрепления; -       применение моделирования и аналитического расчета дополняют друг друга: сопоставление усилий, перемещений полученных аналитически и экспериментально дает возможность проверить справедливость заложенных теорий. 4)           Исследование действительной работы новых видов конструкций и сооружений в упругой, неупругой и предельной стадии работы с учетом: -       реальных свойств материалов; -       влияния технологических и производственных дефектов; -       влияния начальных напряжений; -       случайных факторов и обстоятельств работы конструкции. 5)           Исследование и нормирование свойств конструкционных материалов. Определение критериев прочности, пластичности и трещиностойкости при различных видах напряженного состояния: -       многоосного напряженного состояния; -       однократного и многократного нагружения; -       различной скорости деформирования; -       повышенных и пониженных температур; -       начальных несовершенств структуры материала. 1)             2)              6)           Производственный контроль качества и дефектоскопия строительных конструкций: -       производственный контроль качества выполняется на заводах-изготовителях в основном акустическими,  магнитными и радиометрическими методами; -       натурная дефектоскопия конструкций выполняется на объектах строительства различными методами. По  результатам диагностики решается вопрос о необходимости проведения специальных испытаний конструкций. Лекция №2 Классификация видов испытаний конструкций зданий и сооружений     1)    По целевому назначению испытания разделяют на: -       приемо-сдаточные испытания для проверки соответствия конструкций проектным и нормативным документам; -       испытания давно эксплуатируемых конструкций для выявления их общего состояния и резервов несущей способности (как правило, при реконструкции); -       испытания уникальных опытных конструкций пред началом их производства или перед вводом в эксплуатацию. 2)    По характеру внешних воздействий испытания разделяют на: -       статические (при создании нагрузок ступенями, при выдержке конструкций под нагрузкой); -       динамические (при действии вибрационных, импульсных, ударных и комбинированных нагрузок); -       усталостные испытания (при циклическом действии нагрузок). 3)    По месту и условиям проведения испытания разделяют на: -       полевые (натурные) испытания; -       заводские испытания; -       лабораторные (стендовые).   Рекомендуемая литература:   1.      Лужин О.В. «Обследование и испытание сооружений» Москва 1987г. 2.      Злочевский А.Б. «Экспериментальные методы в строительной механике». Стройиздат, Москва 1983г. 3.      «Испытания сооружений» Справочное пособие под редакцией Золотухина Ю.Д. Высшая школа, Минск 1992г. 4.      Землянский А.А. «Обследование и испытание зданий и сооружений». Учебное пособие. Москва 2001г. 5.      СП 13-102-2003 «Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений». Москва 2004г.   Обследование и испытание конструкций и сооружений – комплекс мероприятий по оценке состояния конструкции или сооружения.   Результат: заключение о пригодности к эксплуатации или необходимости ремонта, усиления, реконструкции. Случаи, в которых необходимо обследование: -       приемка в эксплуатацию; -       при проведении экспертиз; -       при реконструкции; -       при изменении назначения сооружения; -       после экстремального воздействия (аварии пожара).   Основные этапы в организации, подготовке и проведении обследований и испытаний и диагностике строительных конструкций.   1)    Постановка задач и оценка особенностей намечаемых обследования и испытаний. 2)    Проведение освидетельствования (обследования) конструкций до проведения испытаний. 3)    Выполнение перерасчета или проверочного расчета конструкций (с учетом реальных особенностей конструкции). 4)    Испытание конструкций под действием нагрузки. 5)    Обработка материалов испытаний и оценка состояний конструкций и сооружений по результатам освидетельствования, расчета и испытания.   Обследование - комплекс мероприятий по определению и оценке фактических значений контролируемых параметров, характеризующих эксплутационное состояние, пригодность и работоспособность объектов обследования и определяющих возможность их дальнейшей эксплуатации или необходимость обследования и усиления. Освидетельствование (обследование) сооружения – сбор информации о реальных значениях геометрических, прочностных и деформативных характеристик сооружения.   Последовательность проведения обследования: 1)         Визуальный осмотр объекта: -       выявление и фиксация видимых дефектов и повреждений; -       проведение контрольных обмеров; -       описание, зарисовка, фотографирование дефектных участков; -       составление схем и ведомостей дефектов и повреждений с фиксированием их мест и характера; -       выявление наличия аварийных участков. 2)         Ознакомление с технической документацией: -       сроки возведения объекта; -       нормы проектирования объекта; -       чертежи и расчетная документация; -       документы о сдаче и приемки в эксплуатацию; -       расчетные нагрузки. 3)         Уточнение реальных нагрузок на сооружение: -       выявление неучтенных нагрузок; -       влияние температуры, влажности и агрессивности среды; -       выявление воздействий вызванных дефекты, повреждения и т.д. 4)         Проведение инструментальных измерений: -       работы по обмеру необходимых геометрических параметров зданий, конструкций, их элементов и узлов, в том числе с применением геодезических приборов; -       инструментальное определение параметров дефектов и повреждений. 5)         Определение свойств материалов: -       определение фактических прочностных характеристик материалов основных несущих конструкций и их элементов; -       поиск скрытых дефектов. Проводится выборочно или полный контроль. 6)         Перерасчет сооружения: Производится с учетом: -       ныне действующих норм; -       фактических показателей обследования.   Цель: определить N – фактическую несущую способность                                Р – фактически действующую нагрузку. Условие прочности сооружения: N > P, тогда  - действительный коэффициент запаса. Условие необходимости проведения натурных испытаний после обследования: -       P -       ответственность сооружения Усложненный перерасчет: определяются теоретические   M, N, Q, для сравнения с эксплутационными. 7)         Составление Заключения об обследовании: -       общая характеристика объекта; -       общая характеристика технической документации; -       данные инструментальных измерений; -       прочностные свойства материалов; -       результаты дефектоскопии; -       результаты перерасчета; -       данные натурных испытаний; -       выводы (о пригодности к эксплуатации, об ограничении нагрузки, об объемах и мерах по усилению). Лекция №3 Определение физико-механических свойств материалов   Разрушающие методы:     Испытание кирпича на сжатие   Испытание бетонной призмы на сжатие   Недостатки стандартных разрушающих испытаний образцов: -       ослабление исследуемого элемента; -       влияние формы и размеров образца; -       влияние жесткости испытательных машин, -       влияние условий опирания образца; -       неидентичность технологии изготовления образцов и конструкций.   Неразрушающие методы:   1)           Методы проникающих сред – основаны на использовании индикаторных жидкостей и газов -       для контроля плотности сварных швов в конструкции; -       для определения сквозных трещин; -       для определения пористости; 2)           Акустические методы - основаны на возбуждении упругих механических колебаний 3)          Магнитные методы – предназначены для контроля армирования железобетонных конструкций и для определения дефектов в металлических конструкциях 4)           Радиационные 5)           Электрические 6)           Механические   Механические методы:   Метод локальных разрушений       Прибор Оникс-ОС   Прибор ПОС-30МГ4     Определение прочности бетона методом локальных разрушений с помощью прибор Оникс-ОС   Методы поверхностной твердости           Молоток Кашкарова (бетон)   Прибор Польди (металл)   Методы упругого отскока         Склерометр ОМШ   Молоток Schmidt типа L     Определение прочности кирпича методом упругого отскока с помощью прибора Молоток Schmidt     Ударно-импульсные методы         Оникс-2.3   ИПС-МГ4.01         Определение прочности бетона ударно-импульсным методом с помощью прибора Оникс-2.3 Лекция №4 Акустические методы контроля строительных конструкций   1.     Ультразвуковой импульсный метод; 2.     Низкочастотный звуковой (ударный метод); 3.     Резонансный виброакустический метод; 4.     Метод акустической эмиссии; 5.     Поляризационно-акустический метод Ультразвуковой импульсный метод (УЗИ) Физическая основа метода – наличие зависимости между скоростью распространения ультразвука и свойствами материалов. Применяемые частоты: -       для бетона  40кГц – 200кГц -       для металла  1МГц – 5МГц Для бетона применение УЗИ позволяет: -       определить прочность бетона; -       проверить однородность бетона; -       определить модуль упругости, модуль сдвига, коэффициент Пуассона; -       определить наличие дефектов; -       определить глубину развития трещин в конструкциях; -       проконтролировать процесс трещинообразования (при научных исследованиях). В большинстве случаев ультразвук создается с помощью специальных материалов – пьезоэлектриков.        Основной регистрируемый параметр – время распространения УЗК. Основные возможные погрешности – от качества контакта излучателя и приемника колебаний с конструкцией.   Определение упругих характеристик бетона. Определение динамического модуля упругости: где к- коэффициент формы     - для стержня с минимальным размером    - для пластины;    - для трехмерного тела;   Определение динамического коэффициента Пуассона:     - динамический коэффициент Пуассона Переход от   к  :     Определение прочности бетона ультразвуковым методом.   Для бетона данного состава, на одинаковом заполнителе и прошедшего идентичную термообработку имеется эмпирически установленная корреляционная зависимость «Rсж – Vпр».   Ультразвуковая дефектоскопия бетона. Применяемые частоты: 40-60 кГц -       определение однородности; -       определение наличия полостей. Сквозное прозвучивание: -       доступ к изделию с обеих сторон; -        путь луча известен; -       время прохождения луча измеряется; -       определяемый параметр – скорость.   Продольное профилирование (метод Годографа): -       доступ к изделию с одной стороны; -       глубина прозвучивания 1,5; -       длина волны УЗК - -зависит от частоты а и скорости V; -       если V=4000м/с, то при f = 60кГц =6,7см; -       при f = 25кГц =16см;     Контроль процесса трещинообразования:     Ультразвуковая дефектоскопия металла. Применяемые частоты: 2,5-5 МГц Измерение толщины листа: Определение глубины залегания дефекта:     Звуковой (ударный) метод Используются низкочастотные звуковые колебания      Звуковым ударным методом, как и УЗИ можно пользоваться для вычисления упругих характеристик бетона: Eдин, Gдин,дин и находить прочность бетона.   Резонансный виброакустический метод Применяется для контроля изделий сравнительно небольшого размера и массы.   Основа метода – наличие зависимости между качеством конструкции и ее     Продольные колебания:    плотность бетона Изгибное колебание:   i радиус инерции с – коэффициент формы сечения Крутильные колебания:    – коэффициент формы (=1 – для круга, =1,18 – для квадрата). Найденные значения Един и Gдин позволяют определить:   Метод акустической эмиссии   Основан на регистрации акустических волн в твердых телах, в основном при пластических деформациях и образовании упругих трещин. Регистрируя скорость движения волн эмиссии можно обнаружить зоны концентрации напряжений в металлах, развитие трещин в железобетоне, появления расслаивания в деревянных конструкциях.   Поляризационно-акустический метод контроля конструкций   Идея метода практически совпадает с идеей поляризационно-оптического метода. Различие состоит в том, что исследуются непрозрачные материалы (конструкционные) и производится «прозвучивание» конструкций плоско-поляризованным УЗК-лучом. Этим методом также как и поляризационно-оптическим можно определять траектории и величины главных напряжений в элементах конструкции. Лекция №5 Магнитные и электромагнитные методы Область применения: -          дефектоскопия металлоконструкций; -          контроль армирования железобетонных конструкций; -          контроль усилия натяжения; -          контроль остаточных напряжений.   Магнитная и электромагнитная дефектоскопия металлических конструкций   Сущность метода: при намагничивании металла имеющиеся дефекты вызывают искажения магнитных силовых линий. Намагничивание производится с помощью постоянного магнита или индукционным способом. 1.      Порошковый метод (видимое изображение дефекта); 2.      Использование феррозондов: в области дефекта увеличивается магнитный поток и индуктивность катушки.       Магнитографический метод       Определение положения и диаметра арматуры (электромагнитный метод)     Прибор показывает величину защитного слоя бетона при заданном диаметре арматуры. Для определения фактического диаметра арматуры и толщины защитного слоя бетона используют диэлектирескую прокладку известной толщины. Производят измерения защитного слоя бетона по возможным диаметрам без прокладки и затем с прокладкой. Диаметр, при котором разница величин защитного слоя бетона без прокладки и с прокладкой составит ровно толщину прокладки (или величину наиболее близкую к ней) является верным.   Предельная глубина определения арматуры зависит от диаметра арматуры и составляет: 100мм при диаметре арматуры 6мм 150мм при диаметре арматуры 10-14мм   Определение усилия натяжения арматуры А) Свободно натянутой 1) по частоте собственных колебаний        - для металла   2) при помощи динамометра (для контроля магнитных методов)       Б) Замоноличенной 1) тензорезисторный метод (тензорезисторы устанавливаются на арматуру заранее; гидроизоляция) 2) магнитный метод (нанесение разнополярной магнитной метки)     H – магнитное напряженное поле в пределах метки     Измерительные приборы позволяют определить релаксацию напряжений по изменению уровня магнитного потока.   Метод магнитной анизотропии Принцип действия – под действием механического напряжения металлы становятся анизотропными. Эллипсоид значений магнитной проницаемости в точке подобен эллипсоиду напряжений.     Схема включения датчика в измерительную цепь а) позволяет получить сумму и разность главных напряжений.   1-2=А 1+2=В     б) определить положение главных осей Погрешность ±15-20МПа   При 2 = 0 по измерению 1 – 2 – определяют 1 (без остаточных напряжений)     Регулировка «нуля» при установке датчика на отожженный металл   Метод локальной разгрузки участка материала для оценки остаточных напряжений и деформаций     Кольцевой проточкой разгружается участок материала от остаточных деформаций (напряжений). Их величина определятся по разности отсчетов тензорезисторов. Лекция №6 Применение методов проникающих излучений для контроля строительных конструкций     Физическая основа методов состоит в регистрации величины ослабления проникающего излучения после прохождения его через материал конструкции Возможности методов проникающих излучений: 1.      Дефектоскопия строительных конструкций; 2.      Контроль плотности бетона конструкции; 3.      Контроль армирования массивных железобетонных конструкций; 4.      Контроль влажности бетона, древесины; 5.      Контроль качества стали.   Классификация методов проникающих излучений: -          радиоизотопный метод контроля; -          рентгеновский метод контроля; -          нейтронный метод контроля. Изотопный метод контроля Источниками излучения служат радиоактивные изотопы (кобальт-60, селен-75, цезий-137). Преимущество – постоянный источник излучения. Недостаток – необходимость наличия защиты. Ренетнеговский метод контроля Источниками излучения – высоковольтная рентгеновская трубка. Преимущество – контролируемое излучение. Недостаток – необходимость источников высокого напряжения, проникающая способность значительно ниже, чем у гамма-излучения. Нейтронный метод контроля Источниками излучения – нейтроны. Они не взаимодействуют материалом конструкции и обладают наибольшей проникающей способностью.   Принцип взаимодействия излучения с конструкционным материалом       I – интенсивность зарегистрированного излучения прошедшего через контролируемую конструкцию; I0 – начальная интенсивность источника; r – толщина просвечиваемого слоя;  – линейный коэффициент поглощения (степень поглощения на единицу толщины материала);  – плотность материала.       Способы регистрации 1.      Экспонирование пленки; 2.      Газоразрядные счетчики (Гейгера-Мюллера); 3.      Сцинтиляционные счетчики; 4.      Люминесцентный экран; 5.      Телевизионные мониторы и т.д.   Определение объемного веса бетона с помощью гамма-излучения     Дефектоскопия сварных швов 1.      Применение ступенчатых эталонов 2.      Определение глубины залегания дефекта стереоскопической съемкой     Эталон позволяет определить размер дефекта в направлении излучения, а проекция дефекта определяется по фотоснимку.   Радиографический метод контроля     Контроль армирования железобетонных конструкций методами проникающих излучений     Выполнив все геометрические измерения можно вычислить диаметр арматуры, ее расположение, величину защитного слоя бетона.   Метод проникающих сред Образование мыльных пузырей     Капиллярный метод   Лекция №7 Испытания строительных конструкций   Натурные испытания строительных конструкций проводятся в случае, если данных на этапе освидетельствования оказалось недостаточно для составления вывода о пригодности конструкции к эксплуатации. Натурные испытания – это этап более углубленного, экспериментального исследования состояния несущих конструкций. Натурное испытание – это совокупность операций связанных с выявлением и проверкой состояния и работоспособности объекта в целом, и каждого из его элементов при пробном нагружении. Цель натурных испытаний –оценка показателей, характеризующих свойства и состояние эксплуатируемых конструкций, а также изучение процессов, протекающих в них, для проверки правильности и точности теоретических расчетов. Круг вопросов, решаемых натурными испытаниями, не ограничивается задачами обследований.   Порядок подготовки и проведения натурных испытаний   1.      Составление технического задания; 2.      Подготовка технической документации; 3.      Подготовка к испытанию конструкций, приборов, оборудования; 4.      Проведение испытаний; 5.      Обработка результатов испытаний. Техническая документация состоит из: –          «Рабочая программа испытания» – основной документ, в котором указываются цели, задачи испытания, рабочая  схема испытаний, определяются места размещения приборов, сами приборы и аппаратура, методика проведения испытаний; –          Проект испытаний; –          Расчет испытываемой конструкции. Главной частью является составление программы испытаний для получения достоверных данных, пригодных для сравнения с данными, полученными в результате расчета. Проект испытаний содержит чертежи всех конструкций и приспособлений, необходимых для закрепления и нагружения конструкции; чертежи устройств, предохраняющих конструкцию от полного разрушения и обеспечивающих безопасность работы персонала; чертежи подмостей и приспособлений по защите приборов от эксплутационных нагрузок и воздействий. Расчет испытываемой конструкции выполняется по результатам освидетельствования, с учетом выявленных, отклонений от проекта, повреждений и дефектов. В результате расчета определяются напряжения, деформации и перемещения в местах установки приборов. Данные расчетов позволяют проверять правильность существующих теорий.   Испытания проводят в три этапа: 1.      Определение полных напряжений в конструкции до нагружения; 2.      Испытание конструкции пробной нагрузкой малой величины – позволяет уточнить расчетную схему и методику расчета; 3.      Испытание конструкции пробной нагрузкой большой величины. Натурные испытания дороги и трудоемки, поэтому в каждом случае в зависимости от задач, которые ставятся при проведении испытаний, определяется необходимый объем работ. Следует учитывать, будет ли конструкция эксплуатироваться в дальнейшем – и если нет, то конструкция доводится до разрушения.   Статические испытания строительных конструкций   Виды испытательных нагрузок:     1.      Статические (квазистатические) нагрузки  ; 2.      Динамические нагрузки  . где t – время действия нагрузки;       Т – период собственных колебаний конструкции Требования к нагружающим устройствам: 1.      Точность определения величины нагрузки; 2.      Стабильность нагрузки во времени; 3.      Быстрота изменения (как по величине, так и по направлению); 4.      Обеспечение вида нагружения (сосредоточенные, распределенные линейно и нелинейно) 5.      Соблюдение принципа независимости действия сил: когда к конструкции прикладываются разные нагрузки, то каждая из них не должна влиять на величину другой; 6.      Максимальная механизация (то есть, уменьшение трудоемкости при создании, изменении и снятии нагрузки) 7.      Соблюдение всех требований техники безопасности при испытании строительных конструкций. В зависимости от того, какой вид воздействия создать и какую реакцию конструкции получить может быть выбран метод загружения: 1.      Сосредоточенные силы 2.      Распределенная нагрузка; 3.      Комбинированная нагрузка.     Возможна замена проектной нагрузки эквивалентной испытательной нагрузкой       Нагрузка как правило прикладывается ступенчато. Выдержка под нагрузкой: 1.      Для металлических конструкций – 0,5 часов; 2.      Для железобетонных конструкций – до 12 часов; 3.      Для деревянных конструкций – до 2-х – 3-х суток. Способы создания распределенных нагрузок: 1.      Сыпучие материалы (песок, гравий и другие).     Недостатки: изменение объемного веса в зависимости от влажности или                       плотности засыпки;                       большие затраты времени на загрузку и разгрузку.   2.      Мелкие штучные грузы (кирпич, кубики, чугунные отливки).     Достоинства: удобство укладки. Недостатки: вес полной нагрузки определяется по среднему весу одного груза;                       вес груза зависит от влажности;                       высокая трудоемкость.   3.      Крупные штучные грузы (бетонные блоки и другое).     Недостатки: неизвестно где точно опирается груз на конструкцию;                       для установки требуются средства механизации.   4.      Нагружение плоских поверхностей водой.     Достоинства: удобство загрузки и разгрузки;                         однородность передачи нагрузки Недостатки: загружение возможно только при положительной температуре;                       поверхность конструкции должна быть строго горизонтальна. 5.      Использование сжатого воздуха, давления воды на сосуды.         Способы создания сосредоточенных нагрузок:   1.      Подвешивание грузов;     2.      Натяжные устройства;     3.      Гидравлический домкрат     Рычажные системы       Испытательные стенды     Испытательные плиты (силовой пол)   Лекция №8 Методы и средства контроля параметров напряженно-деформированного состояния конструкций при проведении статических испытаний   В результате проведения статических испытаний определяют линейные и угловые перемещения, общие и местные деформации, усилия давления, опорные реакции, выполняют построения эпюр внутренних усилий, построение линий влияния, траектории главных напряжений и деформаций. Основные требования, предъявляемые к измерительным приборам: 1.      Необходимая точность измерений; 2.      Достаточный измерительный диапазон; 3.      Быстрая и простая установка; 4.      Мобильность аппаратуры; 5.      Автономность питания. Измерительные средства для статических испытаний строительных конструкций Механические Образцовый динамометр     Рычажный тензометр:        предел измерения деформаций 200мкм; точность измерения 1мкм.     Прогибомер барабанно-шестеренчатый (прогибомер Максимова): предел измерения деформаций – неограничен; точность  – 0,1мм.     Реечно-шестеренчатый индикатор: предел измерения деформаций – 1-15мм; точность  – 0,1мм – 0,001мм.     Клинометр уровневый: точность измерения до 5с       Электромеханические     Реостатный прогибомер Маятниковый клинометр       Современные испытания выполняются с применением дистанционных средств измерения. Для этого применяют первичные электрические преобразователи и вторичную регистрирующую аппаратуру. Регистрируемый параметр (механическая величина) при ее измерении преобразуется в пропорциональный электрический импульс.   Первичные электрические преобразователи делятся на: I.                    Генераторные (только для динамических испытаний) – генерируют электродвижущую силу (ЭДС) как функцию скорости перемещения 1.      Преобразователи индукционного типа     2.      Преобразователи пьезоэлектрического типа       Генераторные пьезоэлектрические преобразователи используют явление пьезоэффекта и применяются в качестве регистраторов усилий, частоты и амплитуды колебаний     II.                 Параметрические (для статических и динамических испытаний) – измеряют параметры электрической цепи 1.      Индуктивные преобразователи     2.      Емкостные преобразователи       Емкостные преобразователи преобразуют линейные или угловые перемещения в изменение емкости конденсатора.   3.      Резисторные преобразователи     а) реохордные  преобразователи б) реостатные  преобразователи       в) тензорезисторные преобразователи – в настоящее время получили наибольшее распространение Лекция №9 Тензорезисторы                                                                                    Проволочный                                Фольговый     Принцип работы тензорезисторов состоит в использовании явления тензоэффекта, который заключается в изменении сопротивления проводника при его деформировании.       Количественной мерой тензочувствительности является коэффициент тензочувствительности:     Фольговые тензорезисторы, не имеющие поперечной чувствительности (в отличие от проволочных), изготавливаются ортохимическим способом и могут быть выполнены любой формы, а также в виде цепочек, розеток и т.д. База тензорезисторов  = 0,5 – 150мм; Сопротивление R = 40 – 400 Ом; Коэффициент тензочувствительности kТ = 1,8 – 3,5 (для проводников).   Существуют также и полупроводниковые тензорезисторы. Они изготавливаются методом напыления полупроводникового материала на трафарет, могут быть любой формы и размеров. Их коэффициент тензочувствительности имеет высокое значение (kT = 120 – 150) и зависит от температуры, поэтому полупроводниковые тензорезисторы и устройства на их основе применяются только для кратковременных динамических испытаний. Для точного определения значения коэффициента тензочувствительности тензорезисторы подвергают градуировке (выборочно 5-7% из партии). Градуировка тензорезисторов производится с помощью упругого элемента, деформации которого от заданной нагрузки определяются аналитически:   1.      Консоль равного сопротивления             2.      Балка с зоной чистого изгиба       Измерение деформаций при помощи тензорезисторов Выбор схемы установки тензорезисторов зависит от вида напряженного состояния: 1.      Одноосное напряженное состояние     ;  ;   Переход от измеренных деформаций к напряжениям (упругая область)  ;    2.      Плоское напряженное состояние (направление главных осей известно)   Упругая область         3.   Плоское напряженное состояние (направление главных осей неизвестно) В случае, когда направление главных осей неизвестно использую тензорозетку:       Наличие Т4 позволяет получит 4 тензорозетки 1 – Т1; Т2; Т3 2 – Т2; Т3; Т4 3 – Т3; Т4; Т1 4 – Т4; Т1; Т2 Погрешности измерений I. 1. Систематическая погрешность – вызывается постоянно действующими влияющими факторами (ошибкой выбора метода измерения, ошибкой выбора инструмента измерения). Устраняется путем калибровки, проверки или замены прибора. I. 2. Случайная погрешность – вызывается множеством самых различных неизвестных факторов, рассматривается как нормально распределенная случайная величина. Устраняется путем многократного дублирования измерений и оценки результатов методами математической статистики. II. 1. Методическая погрешность – обусловлена неправильным воспроизведением измеряемой величины, влиянием преобразователя. II. 2. Инструментальная погрешность – зависит от свойств преобразователя, от погрешности градуировки. III. 1. Основная погрешность – влияние внешних факторов в нормальных условиях. III. 2. Дополнительная погрешность – влияние факторов, отличающихся от нормальных.   Регистрация относительного изменения сопротивления тензорезистора Мостовая схема Уитсона     I = 0   R1 R3 = R2 R4   RA – активный тензорезистор RK – компенсационные тензорезисторы – тензорезисторы наклееные на образец того же материала и находящиеся в тех же температурных условиях, что и исследуемая конструкция, но не воспринимающие силовых деформаций. Предназначены для исключения погрешностей измерения от колебаний температуры.   Схемы подключения тензорезисторов 1.   ¼ моста : R1 = RA; R2-4 =RК  (к=1, -коэффициент увеличения выходного сигнала)     2.   ½ моста : R1,2 = RA; R3,4 =RК (к=2)     3.   Полный мост : R1-4 = RA (к=4)     С применением тензорезисторов конструируют различные измерители давлений, перемещений усилий. Измерители перемещений   Арочного Рамного       Консольного типа       Динамометры   Стержневого типа Кольцевого типа       Измерители давления     Круглая пластина Кольцевого типа     Лекция №10 Обработка результатов статических испытаний        В процессе обработки результатов статических испытаний выполняют: 1.      Определение деформаций  напряжений в заданных сечениях конструкций; 2.      Определение траекторий главных напряжений; 3.      Построение поверхностей прогибов; 4.      Построение линий влияния искомых усилий; 5.      Нахождение нейтральных осей сечений; 6.      Построение эпюр главных напряжений; 7.      Определение углов поворота сечений; 8.      Определение в расчетных сечениях внутренних усилий.     a, b, c, d – точки в которых измерялись деформации     Зная геометрические параметры сечения, измерив деформации в точках a, b, c и d, и решив любые три из четырех уравнений, находим Мх, Му, Nz. Четвертое уравнение – для проверки.    Количество точек измерения (тензорезисторов) в одном сечении равно числу неизвестных усилий, действующих в данном сечении. Путем разделения этих эпюр можно найти действующие в сечении усилия.       a, b, c, d – точки в которых измерялись деформации      ;  ;  ;   Зная геометрические параметры сечения, измерив деформации в точках a, b, c и d, и решив любые три из четырех уравнений, находим Мх, Му, Nz, B.   Определение опорных моментов с учетом податливости заделок.         Можно найти: Если неизвестна жесткость EI, то ее можно найти из уравнения       Известно, что  ;   ;    ;   Найдя экспериментальным путем a и b можно определить MA и MB.   Учет осадок опор при определении прогибов.   Истинный прогиб определяется по формуле:   Изучение действующих на сооружение нагрузок.     А. Силовые воздействия 1. Крановые (горизонтальные и вертикальные силы); 2. Давление ветра; продукта в сосудах и газгольдерах; 3. Сейсмические ускорения. Б. Температурные воздействия 1. Технологические (в горячих цехах перепад температур в стенке балки до 150С);  2. Климатические          (неравномерный нагрев башен,  резервуаров и др.)     Определение полных напряжений в металлах методом локального снятия нагрузки.     Экспериментальное определение опорных изгибающих моментов.       Оценка результатов испытаний. К - конструктивный коэффициент     К = 1 – полное соответствие расчетной схемы и действительной работы             конструкции К < 1 – есть запасы прочности; К > 1 – нужно усиление, либо снижение нагрузок. Лекция №11 Динамические испытания строительных конструкций     - это быстрое изменение во времени внешнего воздействия, когда нельзя пренебречь влиянием сил инерции Задачи динамических испытаний: 1.      Определение параметров динамических воздействий (амплитуда, частота и т.д.); 2.      Определение динамических характеристик конструкций (получение амплитудно-частотных характеристик, нахождение собственных форм колебаний конструкций, определение характеристик рассеяния энергии при колебаниях, определение интенсивности накопления повреждений и снижения несущей способности в процессе колебаний); 3.      Определение динамических характеристик строительных материалов (прочностные и деформационные свойства). Испытания вибрационной нагрузкой      ;   ; k = 1, 2, 3;   q = погонный вес;   Испытания ударной нагрузкой   Прямой удар Обратный удар         – коэффициент динамичности при ударе где  ;           – ударный импульс;                   – статический прогиб балки от груза такой же массы;    ;   – при любой скорости удара;   В случае свободного падения:  ;   Изменение формы и продолжительности ударного импульса Упругая прокладка  Демпфирующая прокладка Масляный демпфер       Испытания на удар подкрановых балок и крановых путей           Усталостные испытания   Цель: Получение ресурса при заданной циклической нагрузке; Получение допустимого уровня нагрузки для нужного ресурса.   Нагрузка: Гармоническая (синусоидальная); Случайная.   Объекты испытаний:    1. Гладкие образцы (зарождение трещины);                                       2. Образцы с дефектом (трещиной);                                       3. Фрагменты конструкций (узлы);                                       4. Отдельные конструкции (сосуды давления). Диаграмма усталостных испытаний Лекция №12      Динамические нагружающие устройства   1. Механические   2. Гидравлические 3. Электромеханические   Механические вибрационные машины 1.      Ненаправленного действия     m– эксцентрик   2.      Направленного действия. Гармонические колебания.                 3.      Направленного действия. Гармонический изгибающий момент.       Гидравлические испытательные машины (гидропульсаторы)   1.      Система с однопоршневым бесклапанным насосом.     1. Испытываемая констукция 2. Поршень пульсатора 3. Маслонасос     4. Задающий цилиндр 5. кривошипно-шатунный механизм   Данный тип пульсатора создает только гармонические колебания. Имеется возможность регулировки амплитуды и частоты колебаний и возможность задания статической нагрузки. 2.      Электрогидравлические системы.     1. Испытываемая констукция 2. Рабочий цилиндр пульсатора 3 и 3а Система электогидроклапонов 4. Маслонасос 5. Электронный блок управления 6. Генератор случайных колебаний 7. Магнитофон      ;        где  – ускорение;    – сила тока Данный тип пульсатора универсален: имеется возможность создания любой нагрузки, в том числе с заданными статистическими характеристиками. Имеется возможность воспроизведения любых натурных условий нагружения.   Электродинамические стенды     1.      Модель сооружения, установленная на вибростоле; 2.      Основание вибростола (сердечник мощного электромагнита); 3 и 4. Электромагнитная система; 5.       Демпфирующие пружины; 6 и 7. Электронный блок управления с усилителем. 8.       Вибродатчик, осуществляющий контроль и управление требуемым режимом нагружения.  ;    где  – сила выталкивания,    – длина проводника     – сила тока Лекция №13 Методы и средства регистрации динамических параметров при проведении испытаний   Основные регистрируемые параметры: 1.      Динамические перемещения (амплитуды); 2.      Динамические деформации; 3.      Динамические усилия (давления); 4.      Динамические напряжения; 5.      Частоты колебаний; 6.      Скорости и ускорения; 7.      Углы сдвига фаз.   Принципы регистрации динамических параметров:   1.      Кинематический (неподвижная опора).     2.      Динамический (создание на конструкции искусственной неподвижной точки).   Аппаратура для регистрации динамических параметров: 1.     Механические вибрографы   1-          Упорная штанга 2-          Отметчик времени 3-          Цветная лента с восковым слоем; 4-          Пишущая стрелка; 5-          Пружина.   2.     Электромеханические самопишущие приборы (= 0-100Гц);   1-          Рамка 2-          Магнит 3-          Пружина 4-          Перо 5-          Лента     3.     Светолучевой осциллограф (= 0-5000Гц);     1. Лампа 2. Линза 3.Серкальце 4. Рамка 5. Лента из УФ бумаги     4.      Магнитографы (  = 0-8000Гц);   1-    Магнитная лента 2-    Стирающая головка 3-    Записывающая головка 4-    Воспроизводящая головка     5.     Электроннолучевые (катодные) осциллографы (= 0 - МГц);     Предназначен для регистрации ударных импульсных процессов, обладает блоком памяти.   6.      Цифровой осциллограф;     Обработка записей колебаний 1.     Обработка виброграмм затухающих колебаний       Определение логарифмического декремента затухания по резонансной кривой     Обработка периодических колебаний в виде суммы нескольких гармонических. Определение амплитуд и частот компонентов методом огибающих     1.     Запись двух компонентного колебания; 2.     Двойная амплитуда высокочастотной составляющей; 3.     Сумма низкочастотных компонентов. Максимальная ширина полосы огибающих равна сумме двойных амплитуд компонентов, а минимальная ширина – их разности.   3.      Анализ виброграммы биений. Частота биений равна разности частот компонентов.         4.      Периодический процесс импульсного характера.   – максимальный выброс на участке 0 – ti 5.     Виброграммы импульсных процессов. Простая форма                     С наложенными колебаниями     – пиковое значение;   – длительность фронта импульса;   – импульс (интегральная характеристика);  ;   – действующее значение импульса;   6.      Определение коэффициента динамичности при колебаниях.      ; где   – сопротивление. При  = 0           7.      Определение коэффициента динамичности при вертикальном ударе.