Динамические испытательные нагрузки

Классификация динамических нагрузок.

Это нагрузки, имитирующие динамическое воздействие, которые меняются настолько быстро, что в элементах конструкции возникают силы инерции.

Величина, направление и место приложения таких нагрузок могут меняться независимо друг от друга.

Различают динамические нагрузки:

1. Неподвижную (силы инерции движущихся частей механизмов и машин).

2. Подвижную (от кранов, транспорта, движения людских масс).

3. Импульсную, действующую в течении малого промежутка времени (взрыв, изменение давления газа).

4. Ударную, создающуюся падающими телами и механизмами ударного действия.

5. Динамическую составляющую ветровой нагрузки.

6. Сейсмические нагрузки.

Имитируют динамические нагрузки следующими способами:

1. Неподвижную - с помощью вибромашин (механический метод) и гидравлических домкратов с пульсирующим действием (гидравлический метод). Основным элементом вибромашин является неуравновешенная масса (дебаланс, эксцентрик), приводимая в движение электромотором. Есть машины с одним, двумя и восьмью эксцентриками:

с одним эксцентриком; она - ненаправленного типа, колебания возбуждаются в направлении двух координатных осей.

X = maw²coswt;

Y = maw²sinwt;

w - угловая скорость

1 – центр вращения;

2 – центр дебаланса

с двумя эксцентриками; она - с заданным направлением возбуждения, возникает вертикальная направляющая, равная Y = 2maw²sinwt (массы вращаются в противоположных направлениях);

с восьмью эксцентриками; каждая из масс может вращаться в двух направлениях; от этого зависит направление равнодействующей силы.

Гидравлический пульсатор (плунжерный).

1 - кривошип; 2 - шатун; 3 - цилиндр пульсатора; 4 - аккумулятор (для регулирования динамических характеристик пульсатора); 5 - рабочий цилиндр; 6 - плунжер (рабочая масса)

Достоинствами гидравлических домкратов, соединённых с насосной установкой и специальным агрегатом - пульсатором, возбуждающим переменный поток жидкости, являются:

- возможность создания значительных усилий в различных сочетаниях их по величине, направлению и фазе;

- дистанционность возбуждения;

- возможность программирования режима длительных испытаний и автоматизация всего процесса.

2. Подвижную. При испытании сооружений и конструкций, предназначенных для пропуска перемещающихся грузов (подкрановых конструкций, автодорожных и железнодорожных мостов, путепроводов, виадуков, эстакад и других транспортных сооружений), загружение производят с максимальным приближениям к эксплутационным условиям теми же нагрузками, которые будут действовать при эксплуатации. Существуют специальные схемы установки нагрузки (например, Н-10, НК-30, НК-80 для автодорожных мостов) в пролётах и на опорах. При движении нагрузки по сооружению и при остановке в необходимых, заранее заданных положениях, снимаются отсчёты по приборам.

В 2000 г. в Лондоне построили пешеходный мост «Миллениум» стоимостью 25 млн. фунтов стерлингов. Однако после окончания строительства выяснилось, что мост сильно раскачивается, и его закрыли. Понадобились ещё 7 млн. на увеличение жёсткости моста. Испытательной нагрузкой для него согласились быть архитекторы, конструкторы-авторы моста и студенты-добровольцы. Так впервые в качестве весовой подвижной нагрузки использовалась толпа.

3. Импульсную - с помощью направленного взрыва определённой мощности (пневматический метод), произведённого на соответствующем расстоянии.

Можно использовать и специальные гидравлические пульсаторы, создающие гидродинамический удар.

4. Ударную. Незначительную нагрузку для возбуждения колебаний в лёгких и подвижных элементах можно создать ручной трамбовкой. Для более мощных конструкций до недавнего времени применяли падающие грузы массой 100 кг и выше с высоты 1...1,25 м (гравитационный метод); в место падения укладывали слой песка, чтобы не было повреждений конструкции и для исключения подскока груза. Неудобства возникают при подъёме груза. Его можно избежать при использовании падения груза не на конструкцию, а с конструкции (нагрузка передаётся также внезапно).

Возможно использование так называемого «обратного удара» (конструкция первоначально отклоняется от состояния равновесия, а затем внезапно освобождается перерезанием троса).

Для горизонтальных ударов пользовались подвешенным грузом, действовавшим по принципу «тарана». Сейчас также используют «обратный удар».

5. Сейсмическую, относящуюся к категории таких динамических воздействий, точно предсказать величины и характера которых невозможно. Сложно воспроизвести реальные условия нагружения элемента сейсмической нагрузкой и по причине ограниченности экспериментальных возможностей. Поэтому обычно вынуждены довольствоваться результатами, которые получаются при более простых законах воздействия, а именно: при циклических нагрузках, обусловливающих малоцикловую усталость материала, и при кратковременных импульсных и ударных нагрузках большой интенсивности.

Испытания проводят обычно на специальных сейсмоплатформах, оборудованных устройствами для воспроизведения таких нагрузок. Такие платформы есть в бывших среднеазиатских и закавказских республиках и в Москве, в ЦНИИСКе. В последнее время начинает появляться оборудование программного управления, позволяющее «прокрутить» конструкцию или модель сооружения по программе, составленной в соответствии с инструментальными записями движения поверхности Земли при некоторых уже свершившихся землетрясениях, скажем, Ташкентском, Калифорнийском и др. Сейсмоплатформа - это 6-тикомпонентный вибростенд (линейные, колебания по направлению трех координатных осей и вращательные колебания относительно этих осей).