Учебное пособие: Испытание конструкций динамическими нагрузками

Целью испытаний материалов на усталость является определение пределов усталости (выносливости) и выявление влияния на их величину различных факторов. Рассмотрим определение предела выносливости при несимметричном цикле. Для этого построим диаграмму из наиболее часто применяемых способов (рисунок 5). По оси абсцисс отложены  - средние напряжения циклов, а по оси ординат  - предельные амплитуды циклов. Кривая отражает зависимость предельных амплитуд напряжений цикла от средних. Любой цикл может быть охарактеризован координатами точки  кривой.

По предельной кривой прочности определяют величину предела выносливости при данном среднем напряжении. Циклы напряжений ограниченные осью абсцисс, осью ординат и этой кривой представляют безопасные циклы напряжений. Имея такую диаграмму для данного материала, несложно определить амплитуду напряжений, которую может выдержать материал, не разрушаясь при даном среднем напряжении.

2.  ИСПЫТАНИЯ МОДЕЛЕЙ

Испытания натурных объектов динамической нагрузкой трудоемки и дорогостоящи, однако не представляют возможности решить многие теоретические задачи, связанные со строительством зданий в сейсмических районах и в особых условиях. Как показывает практика, испытания на моделях могут заменить натурные и во многих случаях являются более эффективными, чем натурные. Принципиально на моделях можно решать любые задачи, возникающие на практике, при соответствующем техническом и экономическом обеспечении.

Форма колебаний несущих зависит конструкций от разнообразных факторов: жесткости элементов и узлов их сопряжений на изгиб и сдвиг, влияния связей и диафрагм, нагрузки и последовательности загружения и

разгрузки, деформаций основания. Вследствие этого многие динамические характеристики колебаний испытываемых конструкций оказываются нелинейными, что затрудняет анализ результатов испытаний. Такие задачи проще исследовать при испытании моделей.

Испытания моделей обычно совмещают со статическими испытаниями и проводят вплоть до разрушения модели.

Модель разрушения рассчитывают на основании теории подобия с учётом сил тяжести и инерции. Условия динамического подобия при упругой работе модели определяются по формулам:

(4)

для сил тяжести   

(5)

для сил инерции  

где  - ускорение свободного падения;

 - плотность мате­риала;

(6)

 - масштаб напряжений:

 -линейная деформация;

 - масштаб ускорений:

(7)

 - вре­мя.

Переход от натурной конструкции к модели, осущест­вляется введением системы масштабов преобразования:

 и т. д.

Моделирование сил инерции осуществляется путем укладки или подвешивания в определенных точках модели дополнительных грузов, имитирующих действие объемных сил. Последние могут быть получены и при центробежном моделировании. Для этого маломасштабную модель помещают в центрифугу, где в зависимости от скорости е вращения создается соответствующая сила инерции: Учитывая, что поле центробежных сил не тождественно полю сил тяжести, размеры модели и центрифуги задают так, чтобы уменьшить погрешности неоднородного силового поля.

И.С. Инютиным (БелИИЖТ) разработан метод объемного моделирования массовых сил с «замораживанием» деформаций после нагружения. При этом в качестве силового поля для нагружения объектов или их моделей, изготовленных из магнитодиэлектриков, используются пондеромоторные (механические) силы постоянных электромагнитных полей, а в качестве устройств для измерения деформаций – тензорезисторы с малыми базами, которые в зависимости от целей исследований заделывают внутрь тела объекта или приклеивают на его поверхность.

Теория динамического расчета строительных конструкций, работающих в податливой среде, разработана В.Ш. Барбакадзе. Методика мелкомасштабного моделирования динамических явлений разработана И.С. Шейниным.

Испытания крупномасштабных моделей в  натуральной величины проводят с использованием вибрационных машин, с помощью которых испытывают натурные фрагменты узлов и соединений отдельных элементов, а затем и сооружение в целом. Принцип поэлементного моделирования даёт возможность изучить работу отдельных наиболее ответственных узлов и соединений новой конструкции, определить их деформативность и несущую способность, чтобы использовать полученные результаты при испытании крупномасштабной модели или натурной конструкции.

Для динамических испытаний разработаны различные по мощности и характеристикам вибрационные машины, которые позволяют развивать инерционные горизонтальные силы, как в моделях, так и в натурных объектах – построенных зданиях, соответствующие сейсмическим воздействиям до 9 баллов. Для уменьшения влияния дополнительных форм колебаний вибромашину закрепляют вблизи центра тяжести модели. Размещение остальных вибраторов зависит от целей и задач испытания, характера взаимодействия модели с основанием, податливости стыков и связей и т. д.

Динамические испытания часто совмещают со статическими. Их сочетание позволяет:

·        более полно исследовать напряжённо-деформированное состояние;

·        построить эпюры изгибающих моментов, нормальных и поперечных сил при статических загружениях;

·        установить характер изменения частот и амплитуд колебаний при динамических загружениях;

·        уточнить влияние инерционных сил на несущую способность модели.

2.1  Задачи, решаемые испытанием моделей

На физических моделях можно решать большое количество строительных задач, а именно:

-определение несущей способности и схемы разрушения;

-жесткости, устойчивости и выносливости отдельных элементов и модели в целом;

-определение силовых воздействий на сооружения от ветра, водяных волн, давления сыпучих тел, взрыва и др.;

-определение напряжённо-деформированного состояния конструкций и сооружений как надземных, так и подземных;

-определение частот, амплитуд и форм колебаний сооружений при заданных динамических, сейсмических и взрывных воздействиях;

-влияние объемных сил на напряженное состояние и сопряжение с грунтом основания;

-моделирование взрывов и многие другие задачи.

3.      ДИНАМИЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ

Многие строительные конструкции (в том числе земляное полотно) воспринимают динамические воздействия, сообщающие их массам ускорения и вызывающие появление инерционных сил и колебаний. К динамическим воздействиям относятся нагрузки, быстро изменяющие свою величину, направление или место приложения на конструкции.

Классификация динамических нагрузок очень разнообразна. Динамические нагрузки могут быть детерминированными (определёнными, неслучайными) и случайными. Большая часть детерминированных нагрузок описывается законом их изменения во времени. Такие нагрузки возникают при работе механизмов с неуравновешенными массами, электродвигателей и генераторов, вентиляторов и молотов, кривошипно-шатунных механизмов и др. Для случайных нагрузок до проведения испытаний нельзя предсказать их конкретный характер, хотя при наборе обширной статистической информации можно выявить их определённые вероятностные характеристики.

При рассмотрении стационарных случайных нагрузок, которыми в частности являются ветровые нагрузки на высотные здания и сооружения, волновые нагрузки на причальные сооружения, необходимо знать либо функцию спектральной плотности , либо корреляционную функцию , которые связаны между собой прямым и обратным преобразованием Фурье

(8)

 ,

(9)

Динамическая нагрузка может быть неподвижной и подвижной. К неподвижной - относятся воздействия на сооружения стационарно установленного оборудования, подвижной - воздействия на строительные конструкции кранов, электрокаров, подвижного состава, а также перемещение людей.

По характеру изменения нагрузок во времени различают непериодические, импульсные, периодические, гармонические. Особый характер носит ударная нагрузка.

Примерами непериодической нагрузки может являться воздействие на строительные конструкции взрывных нагрузок, обусловленных взрывом взрывчатых веществ, горением газовой смеси и т. д. В отдельных случаях такие нагрузки могут действовать относительно короткий промежуток времени. В этом случае становится несущественным характер распределения нагрузки во времени. Если время действия нагрузки  подчинено неравенству , где - наибольший период собственных колебаний конструкции,, то эффект оценивается значением величины действующего импульса , которая определяется выражением

(10)

.

Под ударной нагрузкой понимается воздействие на строительную конструкцию другой массы, когда необходи­мо учитывать взаимодействие двух, а иногда и более, соударяемых тел. В этом случае иногда возникает необходимость изучения местных явлений, протекающих вблизи точек соприкосновения, а также закономерностей распространения волновых колебаний.

3.1.        ИСПЫТАНИЯ НАТУРНЫХ СООРУЖЕНИЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАГРУЗКОЙ

При обследовании эксплуатируемых зданий и сооружений, на конструкции которых действует динамическая нагрузка, экспериментальные исследования в основном проводятся в условиях действия этой нагрузки. Задача исследования сводится к регистрации параметров характеризующих работу конструкций. Сравнение полученных значений динамических деформаций и перемещений с нормативными значениями позволяет проверить условия эксплуатации.

Динамические колебания строительных конструкций оказывают неблагоприятное влияние не только на прочностные характеристики конструкции, но и на людей и технологические процессы.

Нормативные документы устанавливают предельно допустимые значения параметров динамических колебаний (вибраций) вредных для человека. Известно, что колебания оказывают на человека отрицательное психологическое воздействие и могут вызвать тяжёлые физиологические расстройства (виброболезнь). Основными критериями оценки вибраций являются их амплитуды и частоты, а так же продолжительность воздействия динамических колебаний на организм человека.

В электронной, оптико-механической и машиностроительной промышленности некоторые технологические операции производятся под микроскопом с точностью до долей микрона. В этих случаях уровни допустимых вибраций строго ограничены, и для их соблюдения предусматривают разработку специальных мероприятий по уменьшению или устранению колебаний.

К типичным нагрузкам, при которых проводятся динамические испытания эксплуатационной нагрузкой, относятся:

-вибрационная нагрузка, создаваемая работой механизмов с неуравновешенными массами, например, от компрессоров, вибростолов, грохотов, станков и др.;

-динамическая составляющая ветровой нагрузки, которая оказывает существенное воздействие на высотные сооружения (мачты, дымовые трубы и др.) и многоэтажные здания высотой более 40 м;

-ударная нагрузка от действия копров, молотов и др.;

-подвижная нагрузка от транспорта, кранов и др.

3.2. ИСПЫТАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ И СООРУЖЕНИЙ ИСКУССТВЕННО СОЗДАВАЕМОЙ ВИБРАЦИОННОЙ НАГРУЗКОЙ

В процессе вибрационных испытаний деформации и перемещения в различных точках конструкции изменяются во времени по гармоническому закону. Различают испытания в режиме собственных и вынужденных колебаний.

Испытания в режиме собственных колебаний в натурных условиях воспроизводится значительно проще. Однако использование результатов таких испытаний ограничивается возможностью создания и исследования одной, в лучшем случае, двух форм собственных колебаний, хотя для решения многих практических задач эта информация является вполне достаточной.

Испытания в режиме вынужденных колебаний сложнее в исполнении, но ценнее, информативнее по своим результатам. Вынужденные колебания создаются в околорезонансных режимах и обеспечивают исследование различных форм колебаний, в том числе пространственных. Характерной особенностью резонансных испытаний является возможность создания больших динамических деформаций и перемещений в элементах конструкции.

При натурных вибрационных испытаниях определяют следующие основные параметры: форму, частоту и декремент колебаний конструкции. При исследовании влияния вибраций на прочностные свойства материалов, элементов и соединений в качестве исходных параметров динамической нагрузки используют коэффициент асимметрии цикла, среднее и амплитудное значение цикла, выраженное в терминах номинальных напряжений или реальных с учётом их концентрации.

Поведение конструкции характеризуется большим числом форм колебаний, так как реальные системы обладают бесконечно большим числом степеней свободы. Однако практическое значение имеют первые две, три формы, отвечающие по своим частотам характеристикам действующих нагрузок. На рисунке 6 показаны виброграммы, полученные в ходе резонансных испытаний с помощью вибромашины, установленной в

четверти пролёта статически определимой балки на двух опорах. Различные формы колебаний наблюдаются при совпадении частоты колебаний возмущающей силы с частотой собственных колебаний балки по соответствующей форме. Для изгибаемой шарнирно опёртой балки отношение значений спектра частот соответствует показателю , где  - номер формы.

Частота колебаний связана с периодом колебаний зависимостью:

(11)

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5