Учебное пособие: Испытание конструкций динамическими нагрузками

где  - частота колебаний в Гц;

Т - период колебаний в сек.

В ходе вибрационных испытаний решаются следующие задачи:

-        определение динамического коэффициента для воздействий с известными динамическими характеристиками;

-        определение состояния несущих конструкций эксплуатируемых зданий и сооружений;

-        определение упругих динамических характеристик строительных материалов;

-        неразрушающий контроль качества строительных изделий;

-        определение влияния циклического загружения на снижение прочностных характеристик материалов и конструкций (предел выносливости, малоцикловая усталость).

Испытания по определению динамического коэффициента установившихся вынужденных колебаний производятся в случаях, когда на конструкцию предполагается установка агрегатов, создающих динамические воздействия. В паспорте агрегата указываются динамические характеристики: масса, частотные характеристики и др. Для расчёта динамического коэффициента требуется дополнительно определить значения собственных частот несущих элементов и соответствующих частотам декрементов колебаний. Расчёт конструкций на вибрационную нагрузку проводится с целью определения величины динамических перемещений и деформаций и последующей проверки соблюдения условий нормальной эксплуатации.

Динамический коэффициент показывает, во сколько раз динамические перемещения и напряжения в системе с одной степенью свободы отличаются от статических перемещений и напряжений, рассчитанных на действие амплитудного значения динамической силы. Коэффициент динамичности можно определить по следующей формуле:

(12)

где  - декремент собственных колебаний;

(13)

здесь  - круговая частота возмущающей силы;

 - круговая частота собственных колебаний.

Для определения коэффициента динамичности необходимо найти с помощью вибрационных испытаний частоту и декремент собственных колебаний. Следует отметить, что значение декремента колебаний зависит от частоты и амплитуды колебаний. Поэтому, динамические испытания, необходимо проводить в диапазоне резонансной частоты, когда частоты вынужденных и собственных колебаний максимально близки.

По результатам динамических испытаний проводится расчёт динамических напряжений и перемещений конструкций на действие вибрационной нагрузки от устанавливаемого оборудования. Если рассчитанные параметры превысят допускаемые, необходимо предусмотреть мероприятия по повышению динамических параметров конструкции.

Снизить уровень вибрации конструкции можно двумя способами:

-изменить параметры динамической нагрузки на конструкцию;

-изменить параметры самой конструкции.

Для реализации первого способа существуют следующие возможности:

-изменение частоты динамической нагрузки;

-изменение места установки агрегата на конструкции (при вертикальной динамической нагрузке рекомендуется передвинуть агрегат как можно ближе к опорам плит перекрытия, при горизонтальной – вдоль балок перекрытия);

-динамическая балансировка вращающихся частей механизма со смещённым центром массы относительно оси вращения (выполняется закреплением дополнительной массы на вращающейся части для полного или частичного погашения вибрации);

-активная виброизоляция агрегата (уменьшение динамической составляющей воздействия на перекрытие).

Чтобы реализовать второй способ необходимо изменить параметры конструкции. Изменения проводятся с учётом влияния этих параметров на частоту собственных колебаний и вывода системы из области резонанса при воздействии гармонической динамической нагрузки. Для реализации этого способа существуют следующие возможности:

-изменение конструктивной схемы конструкции: введение дополнительных связей; пересмотр конструктивного решения опорных узлов; уменьшение пролёта с помощью установки дополнительных опор и др.;

-изменение жёсткости конструкции за счёт изменения е поперечного сечения;

-устройство постамента под агрегат, который в зависимости от необходимого уменьшения или увеличения частоты может быть выполнен массивным без прочной связи с конструкцией, лёгким и жёстким, прочно прикреплённым к перекрытию;

-установка различных амортизационных устройств.

При разработке конструктивных решений по уменьшению вибрационных воздействий необходимо учитывать, что уменьшение частоты собственных колебаний конструкции всегда сопровождается увеличением прогибов и напряжений в ней, вызванных статической нагрузкой. В связи с этим требуется проведение дополнительного статического расчёта.

Резонансные (вибрационные) испытания широко используются для оценки состояния отдельных конструкций (элементов конструкции) эксплуатируемых зданий и сооружений. Этот метод контроля позволяет устанавливать частоты для первых форм колебаний конструкции и определять соответствующие декременты колебаний. Эти параметры используются в качестве показателей степени повреждения конструкций. Эта задача особенно актуальна для зданий и сооружений, подверженных сейсмическим нагрузкам.

Всемирные исследования в этой области показали, что динамические параметры пространственной конструкции здания или сооружения очень чувствительны к повреждениям, вызванным сейсмической нагрузкой. В испытаниях, проведённых на реальных объектах и крупномасштабных моделях, были установлены количественные соотношения между уровнем сейсмической нагрузки и динамическими параметрами конструкции, получившей повреждения, причём сейсмическая нагрузка моделировалась вибрационным воздействием.

В процессе отработки методики было доказано, что характер повреждений при сейсмическом и вибрационном воздействии идентичен. Кроме того, было установлено, что перемещения и внутренние усилия в конструкции при возмущениях, передающихся через грунт и в случае возбуждения колебаний в уровне перекрытия, имеют практически идентичный конечный результат. С методической точки зрения эти результаты чрезвычайно важны, так как динамическое нагружение в уровне перекрытия эффективнее и значительно проще осуществимое.

Динамические испытания строительных конструкций в режиме собственных или вынужденных колебаний являются одним из составных элементов комплексного неразрушающего контроля качества готовой продукции. Наиболее широкое применение получили вибрационные испытания на предприятиях изготавливающих сборный железобетон. Испытания проводятся для контроля качества изгибаемых изделий, в том числе и предварительно напряжённых.

4.      ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЯ

Испытание конструкции динамической нагрузкой является более сложным, чем испытание статической нагрузкой. Эта сложность заключается в том, что испытательная нагрузка и испытательные приборы, применяемые для записи деформаций, представляют собой в большей своей части механизмы, приводимые в движение во время испытания. Причем требуется, чтобы они работали синхронно и четко, как один общий агрегат. Необходимо составить подробный план проведения испытания, в котором надо предусмотреть все детали, даже имеющие второстепенное значение.

Обработку результатов испытания желательно разделить на две части:

1) полевую обработку результатов для оценки правильности протекания эксперимента и для своевременного устранения возможных неполадок;

2) камеральную обработку результатов испытания с вычислением всех намеченных к определению величин: амплитуд и частот колебаний, ускорений, напряжений, динамических коэффициентов и т. п.

Рассмотрим некоторые случаи проведения испытаний сооружений динамической нагрузкой.

Экспериментальное определение частоты свободных колебаний конструкции

Определение частоты свободных колебаний имеет большое значение для правильной эксплуатации исследуемой конструкции. Зная частоту собственных колебаний конструкции, можно решить вопрос о допустимости установки на исследуемом объекте какого-либо агрегата, создающего при его движении возмущающую нагрузку с определенной частотой, или же выяснить, какой агрегат из ранее установленных создает резонанс, и найти возможные пути ликвидации этого явление.

Определение частоты свободных колебаний конструкции или ее элемента, можно осуществить двумя способами.

Первый способ. Конструкция подвергается отдельному удару, который вызовет ее затухающие (свободные) колебания, и на установленном заранее вибрографе или осциллографе записать виброграмму. Имея запись колебаний и времени, можно подсчитать частоту колебаний исследуемой конструкции. При эксперименте фотоленту прибора следует пускать с достаточно большой скоростью и для подсчета частоты колебаний брать длинный участок записи, что обеспечит условия для наиболее точного определения частоты.

При обработке виброграммы первые две-три полуволны исключаются из рассмотрения, так как на них отражается непосредственное действие удар. Определение числа колебаний рекомендуется вести на остальной части виброграммы, где колебания имеют более установившийся характер. Следует иметь в виду, что скорость движения ленты переменная, поэтому необходимо следить за показаниями отметчика времени.

Второй способ. На испытываемом элементе устанавливается вибромашина. Затем приводят её в действие, увеличивая ступенями число оборотов. При каждой ступени оборотов, выждав, пока колебания конструкции примут стабильный характер, делают необходимые записи самопишущими приборами (вибрографом, динамическим прогибомером или осциллографом).

Когда частота возмущающей силы вибромашины совпадает с частотой собственных свободных колебаний конструкции, образуется резонанс, который резко выделится на виброграмме возросшими размерами амплитуд. Полезно одновременно изме­рить частоту вращения вибромашины с помощью тахометра или частотомера, что даст возможность проверить также правильность показаний отметчика времени и более уверенно вычислить частоту собственных колебаний.

4.2. Определение динамических коэффициентов

Динамические коэффициенты определяются, как правило, для тех конструкций, по которым перемещаются подвижные нагрузки, например железнодорожные составы, автомобили, мостовые краны и т. п. и необходимы для расчета подобных конструкций. Определяемые расчетным путем напряжения и деформации от динамических нагрузок суммируются с напряжениями и деформациями от статических нагрузок.

При проектировании динамический коэффициент определяют теоретически с рядом допущений или же используют динамические коэффициенты, полученные экспериментально для аналогичных сооружений, ранее построенных. Для мостов такие определения динамических коэффициентов ведутся много лет и накоплен достаточно богатый опытный материал.

При экспериментальном определении динамического коэффициента его значение выводится из соотношения

(14)

,

где  - максимальный прогиб балочной конструкции при мед­ленном проходе нагрузки (статическое загружение);

 - максимальный прогиб при движении нагрузки со скоростью, вызывающей наибольшие колебания конструкции (динамическое загружение).

Такие два загружения можно легко осуществить для нагрузок, движущихся по рельсам (локомотивы, трамваи, подъёмные краны и т. п.).

При экспериментальном определении динамического коэффициента для автодорожных мостов, где повторить идентичное загружение почти не представляется возможным, подвижную нагрузку пропускают по мосту не дважды, а один раз со скоростью, вызывающей наибольшие колебания конструкции, и записывают виброграмму или осциллограмму прогибов (рис. 7). Наибольшая ордината даст величину максимального динамического про­иба . Для получения прогиба от статической нагрузки необходимо на записанной кривой провести среднюю линию, делящую пополам размах вибраций; эта кривая представляет собой диаграмму статических прогибов, и её наибольшая ордината  принимается для определения динамического коэффициента.

Определение напряжений в элементах конструкции при действии динамической нагрузки

Напряжения в элементе конструкции при действии динамической нагрузки состоят из напряжения от статической нагрузки, включая собственный вес элемента, сложенного с динамическим напряжением вызванным вибрацией:

В этом случае учитываются только те динамические напряжения, которые имеют одинаковый знак с напряжениями от статической нагрузки. Например, если рассматривается изгибаемая балка, то к напряжениям от статической нагрузки прибавляются напряжения, вызываемые динамической нагрузкой, при деформации балки в сторону статического прогиба.

Для определения  необходимо вычислить инерционную силу, действующую на исследуемый элемент. Инерционная сила равна массе, умноженной на ускорение:

.

Ускорение можно измерить акселерометром или получить из виброграммы, пользуясь формулой:

,

где - период колебания;

 - наибольшая амплитуда;

 - ускорение элемента конструкции. Отсюда

Отсюда

,

где  - частота колебаний элемента.

Во всех точках, где требуется определить ускорение, надо установить акселерометры, вибрографы, динамические прогибомеры или прогибомеры с проволочными датчиками и записать виброграммы или осциллограммы.

При действии на элемент осевой силы динамическое напряжение

.

В случае действия на балку на двух шарнирных опорах со­средоточенной силы , приложенной в середине пролета, динамическое напряжение равно:

.

Если вибрирует балка на двух шарнирных опорах под действием собственного веса и равномерно распределенной нагрузки, то динамическое напряжение можно вычислить по формуле:

.

где - масса, приходящаяся на единицу длины балки;

 - ускорение, определенное на середине пролета балки.

При вибрации балки, несущей равномерно распределенную нагрузку и сосредоточенный груз посередине пролета, динамическое напряжение найдется по формуле

/

Когда вибрирующая балка несет сложную нагрузку, состоящую из ряда сосредоточенных сил и сплошных неравномерных нагрузок, теоретическое вычисление приведенной массы которых представляет некоторые затруднения, рекомендуется следующий прием. Балка вместе с приходящейся на нее нагрузкой разбивается на ряд участков, в пределах которых просто вычислить величины масс  каждого участка. В центрах каждого участка устанавливаются акселерометры, вибрографы или прогибомеры с петлевыми тензорезисторами и записываются осциллограммы или виброграммы, по которым определяются ускорения . Перемножив массы на соответствующие ускорения, находят инерционные силы , действующие в каждом участке балки. Зная величины инерционных сил и точки их приложения, принимаемые в центрах отдельных участков, можно вычислить изгибающие моменты, действующие на балку, и определить динамические напряжения в любом сечении по ее пролету.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5