Статические испытательные нагрузки

Различают два типа нагружения конструкций по характеру нагружения: статическое и динамическое.

Строго говоря, чисто статических нагрузок не существует, так как любой процесс нагружения происходит в течение какого-то отрезка времени. Но, если нагрузка нарастает линейно и достигает своего максимального значения за время t, то влиянием сил инерции можно пренебречь, если отношение t/T > 10, где T - основной период собственных колебаний конструкции.

Динамические нагрузки - это нагрузки, величина, направление и место приложения которых меняются настолько стремительно, что в элементах конструкции возникают силы инерции. Это - как бы добавка к основным статическим нагрузкам (по-видимому, Вы помните, что при расчете сборных железобетонных конструкций на воздействия усилий, возникающих при их транспортировании, нагрузку от их собственного веса вводят с коэффициентом динамичности 1,6, а при подъёме и монтаже - 1,4).

Классификация статических нагрузок по характеру их расположения на конструкциях: сосредоточенные; распределенные по линии; распределенные по площади. Распределенные нагрузки могут изменяться равномерно и неравномерно.

Требования к статическим нагрузкам:

- они должны давать возможность точного определения усилий;

- они должны быть транспортабельными и не требовать значительной затраты времени для их приложения и снятия;

- они должны обеспечивать постоянство усилия во времени;

- они не должны загрязнять измерительные приборы.

Весовые нагрузки - это, во-первых, сыпучие материалы (песок, щебень, гравий и т.п.), которые должны укладываться на конструкцию в ящиках или мешках. Такие нагрузки не удовлетворяют ни одному из сформулированных ранее требований к статическим нагрузкам и применяются редко.

Мелкие штучные грузы (кирпич, чугунные чушки-отливки, мелкие бетонные блоки и т.п.) также мало отвечают указанным требованиям, но, если применяются, то укладывать их нужно без перевязки рядов, в виде отдельных несоприкасающихся столбиков шириной не более 1/6 пролета, с зазором не менее 50 мм между столбиками, иначе материал образует самонесущий свод, передающий вес вышерасположенной кладки на опоры конструкции.

Крупные штучные грузы (например, фундаментные блоки) могут быть точно взвешены и замаркированы, укладка и снятие их могут быть механизированы, но при деформации конструкции передача давления от груза начинает осуществляться не по всей нижней поверхности груза, а лишь через его углы. Т.е. нагрузка перестает быть равномерно распределенной, а превращается в сосредоточенную. Но использовать её и в качестве сосредоточенной (например, подбив под груз в нужных точках деревянные прокладки) не представляется возможным, так как при передаче усилия через такие прокладки к деформировавшейся конструкции возникает горизонтальная составляющая, искажающая характер нагружения. Поэтому такие грузы применяют для испытания массивных конструкций с большой собственной жесткостью, не получающих значительных деформаций.

Самой удобной весовой нагрузкой является нагружение водой. На конструкции расстилается защитное брезентовое полотнище, затем водонепроницаемая оболочка, которые крепятся на ограждении, воспринимающем распор воды. Воду заливают шлангом или насосом, спуск осуществляют сифоном или откачкой насосом. Способ отвечает всем требованиям к идеальной весовой нагрузке (например, для точного определения прикладываемого усилия достаточно знать площадь загружаемой поверхности и иметь линейку для замера толщины слоя воды). Способ не применяют, если требуется испытать конструкцию с негоризонтальной поверхностью и при отрицательной температуре.

Вода является загрузочным средством и при испытании ёмкостных сооружений - резервуаров, газгольдеров и т.д., так как испытывать такие конструкции сжатым воздухом не разрешается. Для повышения давления иногда применяют загрузочные жидкости с объемной массой более 1 т/м³ - глинистый раствор со специальными утяжелителями (баритом, молотой железной рудой и другими добавками); при сохранении жидкой консистенции (для поддержания утяжеляющей суспензии во взвешенном состоянии перспективно использование ультразвука, пропускаемого через жидкость) объемная масса может быть доведена до 1,5 т/м³.

Условно к весовым нагрузкам можно отнести загружение воздухом (только в лабораторных условиях). Равномерно распределенная нагрузка создается повышением давления в воздухонепроницаемых плоских мешках («камерах») из клеёнки или тонкой резины, защищенных брезентовым чехлом. Свободное раздувание мешков сдерживается накрывающим их настилом и системой верхних траверс, заанкеренных в силовой плите (см. с. 52).

Весовые нагрузки применяются и для создания сосредоточенных усилий путём подвешивания грузов на специальных площадках или в загрузочных ящиках. При подвешивании грузов величина действующего усилия не зависит от прогибов конструкции.

1 - рычажное приспособление, которое позволяет нагружать грузовую площадку, находясь не под нагружаемой конструкцией, а несколько в стороне. Но это - не рычажная установка! (см. ниже).

Распределительные устройства для имитации распределённой нагрузки:

на балку на плиту

Способ подвешивания грузов используется и в так называемых рычажных установках (только в лабораторных условиях). Они позволяют зафиксировать прикладываемую нагрузку с большой точностью (вплоть до 1 кг), чего невозможно добиться при использовании гидравлических домкратов (см. с. 53).

1 - испытываемая конструкция;

2 - опора;

3 - рычаг;

4 - анкерная тяга;

5 - грузовая площадка.

Для статического нагружения конструкций в лабораторных условиях удобнее использовать не весовые нагрузки, а нагрузки, создаваемые механическими средствами.

Основным оборудованием лабораторий по испытаниям строительных материалов и конструкций являются испытательные машины и прессы.

Для проведения статических испытаний на сжатие, поперечный и продольный изгиб стандартных образцов, деталей, узлов и строительных конструкций используются прессы: ПММ(ИПС) -1000; 500; 200 и125 (тс), универсальные испытательные машины для статических и динамических испытаний: МУП-200; 100; 20 (тс); универсальные машины для статических испытаний на растяжение, сжатие, изгиб и загиб: УММ-200 (тс), Р-100; 50; 20; 10; 5; 0,5 (тс); МР-0,5-1 (тс), РМУ-0,05-1 (тс), прессы для испытания стандартных образцов стройматериалов: П-500; 250; 125; 50; 10; 5; 2,5 (тс).

Когда размеры испытуемых конструкций и необходимые усилия превышают возможности прессового оборудования, испытания проводят на специальных стендах с помощью гидравлических домкратов.

Для использования в полевых условиях применяют сборно-разборные инвентарные стенды (обычно это замкнутые системы, работающие в горизонтальном положении и не нуждающиеся в фундаменте, пример будет дан ниже), в лабораторных условиях - стационарные стенды, монтируемые на силовой плите.

Силовая плита - это железобетонный массив толщиной 1...1,5 м. Она выполняет две функции: фундамента, воспринимающего все направленные вниз усилия, и анкера, воспринимающего все выдергивающие усилия.

Силовая плита армируется в продольном и поперечном направлениях. Для обеспечения анкеровки в ней устраиваются анкерные щели (ручьи), образуемые обычно двумя мощными швеллерами, устанавливаемыми параллельно с зазором около 100 мм между стенками. Под швеллерами устраивается при бетонировании пустота на ширину полок для размещения в ней анкерных устройств. Швеллеры усиливаются ребрами жесткости, к ним приваривается система арматурных стержней, которые способствуют более надёжному закреплению ручья в бетоне.

В более мощных ручьях эти швеллера служат верхним поясом фермы с параллельными поясами, все элементы решетки которой утоплены в бетоне. Сверху ручьи укрываются полосами из листовой стали.

Стационарные стенды подразделяются на стенды с вертикальной и горизонтальной передачей нагрузки.

Стенд с вертикальной передачей нагрузки:

1 - испытываемая конструкция;

2 - опоры;

3 - верхняя траверса;

4 - домкрат;

5 - анкерная тяга;

6 - распределительная траверса;

7 - динамометр (поэтому 6 иногда называют ди- намометрической траверсой);

8 - силовая плита.

Стенд с вертикальной передачей нагрузки ( при испытании в перевёрнутом состоянии)

3 - анкер; всё остальное - как на предыдущей схеме.

Стенд с горизонтальной передачей нагрузки:

1 - неподвижные траверсы;

2 - подвижная траверса;

3 - направляющие;

4 - домкраты;

5 - анкерные тяги;

6 - испытываемая конструкция.

Имитация шарнирно-подвижной и шарнирно-неподвижной опор:

шарнирно-подвижная

1 – отрезок гладкой арматуры диаметром 36 или 40 мм;

2 – верхняя и нижняя металлические пластины;

3 – ограничивающие стержни

шарнирно-неподвижная

1 - точечный каток d = 50...100 мм; 2 - пластина на опоре установки; 3 - пластина на конструкции; 4 - ограничивающие стержни; 5 - сварка; 6 - уголок; 7 - бетон.

Домкраты. По способу создания нагрузки домкраты делятся на гидравлические и винтовые. Для испытания строительных конструкций чаще всего применяются гидравлические домкраты. Их действие основано на законе гидростатического давления: сила, развиваемая домкратом, равна произведению площади поршня на давление в рабочей полости цилиндра. Давление создаётся насосом, подающим масло. Сорта масел: ВМГ3 и МГ-30 (реже индустриальное-30 или 20; веретённое; трансформаторное). Наибольшее распространение получили облегчённые домкраты системы ЦНИИСК. Это - тщательно обработанные цилиндрические пары:

1 - внешний цилиндр (имеет два отверстия с резьбовыми штуцерами для присоединения маслопроводов от насосной станции);

2 - внутренний цилиндр (плунжер).

Грузоподъемность их - 50...500 кН. Ход поршня 100...150 мм; если его не хватает, применяют прокладки.

Для использования домкрата в составе испытательного стенда его предварительно тарируют в комплекте с манометром насосной станции. Суть тарировки: домкрат зажимают между плитами гидравлического пресса и подают в него масло от насосной станции; возникающее в рабочей полости давление передается прессу, стрелка его начинает отклоняться; ступени нагружения - по 0,1 от максимального усилия домкрата; берут одновременно отсчёты по шкале пресса и по шкале манометра - в итоге составляется тарировочная таблица.

Гидравлический домкрат имеет один недостаток: при его использовании нельзя точно зафиксировать значение разрушающей нагрузки (он развивает усилие только в случае, когда испытывает сопротивление со стороны конструкции; когда же оно вдруг частично исчезает (при сильных деформациях конструкции), развиваемое усилие сразу же уменьшается, и по манометру насосной станции мы фиксируем меньшее усилие, чем за мгновение до того, как исчезло сопротивление). Конструкция ещё некоторое время воспринимает нагрузку, работает и, наконец, разрушается, но точно зафиксировать разрушающую нагрузку мы не в силах, так как стрелка манометра начинает неудержимо падать к нулю.

Насосная станция состоит из насоса простого действия, масляного бочка ёмкостью 10 л, распределительной коробки, рычага и манометра. Типы насосных станций: НСР-400 (ручная) и НСП-400 (с электроприводом); 400 -максимальное давление, создаваемое станцией, ат.

Станции соединяются с домкратами высоконапорными трубками (гибкими рукавами) - маслопроводами. Их изготавливают из нескольких слоёв резины и хлопчатобумажной ткани, концевые участки бронируют металлической оплёткой.

Динамометры бывают двух видов: стационарные и переносные. Стационарные служат для поверки рабочих переносных, которые делятся на пружинные, гидравлические и электромеханические.

В пружинном динамометре усилие передаётся непосредственно пружине. Между передаваемым усилием и деформацией пружины существует определённая зависимость.

Гидравлический динамометр, как и пружинный, измеряет растягивающие усилия:

1 - рабочий цилиндр;

2 - поршень;

3 - серьги;

4 - измерительный цилиндр;

5 - поршень;

6 - пружина; 7 - стрелка; 8 - шкала

Электромеханические динамометры: а) тяговый динамометрический элемент в виде стального стрежня круглого сечения; б) кольцевой динамометр для измерения незначительных сжимающих усилий; в) толстостенный цилиндр для измерения значительных сжимающих усилий.

Манометры. Чаще всего используют манометры с трубчатой пружиной.

1 - трубчатая пружина;

2 - зубчатый сектор;

3 - стрелка;

4 - шкала;

5 - штуцер

Перемещение свободного конца пружины пропорционально давлению жидкости внутри самой пружины. Технические манометры высокого давления имеют следующие предельные значения шкал: 60, 80, 100, 120, 160, 200, 250, 300, 400 и т.д. до 2000 ат. Различают два класса точности: «2,5» и «4», т. е. с допуском предельной ошибки при измерении не более 2,5 и 4 %.

Натяжные устройства, в которых используются тросы, полиспасты и лебёдки.

1 – трос; 2 – динамометр; 3 – лебёдка

Достоинство этих устройств: не нужно взвешивать и перемещать грузы; направление усилий может быть не только вертикальным, а любым; усилия легко регулируются. Используются и для испытания конструкций существующих зданий и сооружений.

При создании сравнительно небольших усилий (~ 10 кН) можно применять стальные стержни, соединённые стяжной муфтой (с правой и левой резьбой на концах муфты).