Линейных перемещений и углов поворота

 

Основная задача статических испытаний строительных конструкций – выявление их напряженно-деформированного состояния под нагрузкой, оценка несущей способности, жесткости и трещиностойкости конструкций.

Растяжение, сжатие, изгиб, кручение, срез в конструкциях сопровождаются линейными деформациями, прогибами, изменениями углов поворота и сдвигами. Измерение перечисленных деформаций производится специальными приборами как с непосредственным снятием отсчетов по шкалам (показывающие приборы), так и с помощью измерительных преобразователей, работающих дистанционно.

Большие линейные деформации и перемещения, а также прогибы измеряют прогибомерами и индикаторами часового типа.

Углы поворота измеряют клинометрами, смещение параллельных волокон при сдвиге – сдвигомерами.

Измерение фибровых деформаций производят, используя АИД-4, измерительный комплекс ТИССА-485/65, тензометры и тензорезисторы. По деформациям определяют напряжения, используя при упругой работе материала закон Гука, а при пластической – инвариантные величины интенсивности касательных и нормальных напряжений.

При испытаниях строительных конструкций, кроме перечисленных, применяют и другие приборы: микроскопы, щупы, щелемеры, ультразвуковую аппаратуру, геодезические приборы и инструменты и т.д.

Величина линейных перемещений при испытании кратковременной или длительно действующей нагрузкой может изменяться от нескольких миллиметров у железобетонных конструкций, до десятков сантиметров у деревянных конструкций. Поэтому для измерений используют целую группу измерительных устройств:

– прогибомеры механические с ценой деления 0,01 мм и 0,1мм;

– индикаторы часового типа с ценой деления 0,01 мм по ГОСТ 577 либо 0,001мм;

– нивелиры и теодолиты по ГОСТ 16740, ГОСТ 11897, ГОСТ 16740;

– преобразователи перемещений;

– штангенциркули со значением по нониусу 0,05 мм и 0,1 мм по ГОСТ 166;

– линейки измерительные с ценой деления 1 мм по ГОСТ 427;

– рулетки металлические измерительные по ГОСТ 7502.

Индикаторы. Индикаторы применяют для измерения небольших перемещений от 0,001 мм до 10 мм. В зависимости от цены деления шкалы их можно разделить на две группы: 1) рычажно-зубчатые измерительные головки типа ИГ (ГОСТ 18833–73), многооборотные индикаторы типа 1МИГ и 2 МИГ с ценой деления 0,001–0,002 мм; 2) индикаторы часового типа модели ИЧ10м с ценой деления 0,01 мм (ГОСТ 577–68*).

Индикатор часового типа (рисунок 11, 12) состоит из цилиндрического корпуса, внутри которого размещена вся кинематическая система прибора. На лицевой стороне прибора под стеклом располагается кольцевая шкала и большая стрелка для регистрации отчета с ценой деления либо 0,01 мм, либо 0,001мм. Для отсчета целых оборотов большой стрелки индикатора преду­сматривается вторая малая шкала со стрелкой.

 

а) общий вид б) конструктивная схема в) кинематическая схема

1 - корпус; 2 - большая шкала; 3 - малая шкала; 4 - люфт

с зубчатой кремальерой; 5 - шестеренки; 6 - малая стрелка; 7 - волосок;

8 – большая стрелка; 9 – трибки; 10 – пружина

Рисунок 11 - Индикатор часового типа

Рисунок 12 – Многооборотный индикатор МИГ-1

 

Измерительные головки и многооборотные индикаторы предназначены для измерения линейных перемещений с высокой точностью. Они имеют механизм установки стрелки на нуль и арретир для подъема измерительного штока. Измерительная поверхность штифта для повышения его износоустойчивости и точности выполнена из корунда.

При испытаниях конструкций многооборотные индикаторы и измерительные головки, как правило, применяют с удлинителем для измерения деформации на определенной базе длиной 100, 200, или 500 мм, например при исследовании ползучести или усадки бетоны, при длительных наблюдения за конструкцией и т.д. Индикатор модели ИЧ10 м, устанавливается на штативе с непосредственным упором штифта в испытываемую конструкцию или крепится к самой конструкции с упором штифта в неподвижную точку, не связанную с конструкцией.

Обработка показаний индикаторов производится по формуле:

Δl = (с₂ - с₁) mk,

где с₁– начальный отсчет по шкале прибора;

с₂ – последующий отсчет;

m – цена деления;

k – поправочный коэффициент, определяемый при градуировании.

 

Преимущества индикаторов – высокая точность измерения и небольшие размеры, недостатки – невозможность измерения без перестановки перемещений более 10 мм.

Прогибомеры. Наибольшее распространение получили прогибомеры
Н.Н. Максимова и Н.Н. Аистова с проволочной связью, имеющие неограниченный диапазон измерений. Более совершенным является прогибомер Аистова-Овчинникова ПАО-6.

 

а) общий вид б) кинематическая схема

1 - винт; 2 - пластина; 3 - корпус; 4, 6 - малая шестерня;

5, 7 - большая шестерня; 8 - шестерня; 9 - нить; 10 - груз.

Рисунок 13 - Прогибомер Аистова ПАО-6

 

На рисунке 13 и 14 приведены конструктивные решения прогибомеров ПАО-6 и ПМ-2, наиболее часто применяемых при испытании благодаря практически неограниченному диапазону измерений.

 

а) общий вид б) кинематическая схема

1 - корпус;2 - барабан; 3 - маленький барабан; 4 - ролик; 5 - стрелка; 6 - шкала

Рисунок 14 - Прогибомер Максимова ПМ-2

 

Внутри металлического корпуса прибора (рисунок 13) расположена пара шестеренок, вращающихся в подшипниках. С помощью струбцины он крепится к штативу или к испытываемой конструкции. Прибор приводится в действие благодаря запасовке сталистой проволоки вокруг шкива, соединенного с осью и системой шестерен, которые приводят в действие стрелки, регистрирующие отсчет. Стальная проволока диаметром 0,4 мм закрепляется в той точке конструкции, где требуется измерить прогиб, или к неподвижному предмету (если прогибомер установлен на конструкции). При установке прогибомеров следует обращать внимание на то, чтобы показания приборов при перемещении гири вниз возрастали.

Цена деления шкалы ПАО-6 - 0,01 мм, ПМ-2 - 0,1 мм. Точность измерений зависит от качества (прямолинейности) проволоки, величины груза (1...3 кг), аккуратности навивки на шкив (не менее 2...3 оборотов), температуры внешней среды (1 м стальной проволоки удлиняется на 1 мм при повышении температуры на 10°С), надежности крепления прогибомера и нити к конструкции.

Недостатки прогибомера ПМ-3: неудобная для отсчетов шкала, сравнительно невысокая точность и наличие «мертвого хода» при изменении направления вращения шестеренок. У прогибомера ПАО-6 эти недостатки отсутствуют. Общее достоинство прогибомеров – возможность измерения значительных перемещений.

Клинометры. Углы поворота элементов конструкций при испытаниях в пределах нормативных и расчетных нагрузок обычно невелики и измеряются клинометрами Стоппани, Аистова или рычажными. Принцип действия измерительных устройств заключается в возвращении рабочего элемента (пузырька воздуха, весла и т.д.) в исходное положение после наклона поверхности конструкции вместе с прибором посредством вращения калиброванного лимба и определения величины перемещения. Зная размер базы прибора, легко найти угол поворота. Основным недостатком приборов является необходимость возвращения рабочего органа в исходное состояние в процессе испытания, т.к. предел измерений находится в пределах 5…6˚. В стадии разрушения угловые перемещения резко возрастают, и для их определения применяют геодезические методы и инструменты.

На рисунке 15 приведено конструктивное решение клинометра Стоппани, прибора, применяемого при измерении углов наклона (поворота) конструкции.

а) кинематическая схема

1 - проушина;2 - уровень; 3 - лимб; 4 - указатель (нить); 5 - пружина;

6 - скоба; 7 - микрометрический винт; 8 - пластина

Рисунок 15 - Клинометр Стоппани

Клинометр Стоппани имеет чувствительный уровень, соединенный с корпусом пластинчатой пружиной. Прикрепив прибор к испытуемой конструкции струбциной, пузырек уровня выводят к средней риске микрометрическим винтом и по его лимбу записывают начальный отсчет с₁. После приложения нагрузки уровень вместе с расчетным сечением конструкции поворачивается на угол α. Чтобы возвратить пузырек уровня в первоначальное положение, требуется переместить микрометрический винт на величину δ и взять новый отсчет с₂:

,

где s – шаг микрометрического винта, равный 1/3 мм; n – число делений лимба, равное 60.

 

Угол поворота

tgα =

где l – база прибора, равная 175мм.

 

Цена деления шкалы лимба равна 6", предел измерений без перестановки прибора 6º. Прибор удобен и прост в работе. К его недостаткам можно отнести повышенную чувствительность к изменению температуры и наличие легко повреждаемого стеклянного уровня.

Тензометры. Наибольшее распространение в практике испытания строительных конструкций получили струнные, механические, электрические и тензорезисторные тензометры.

Среди механических наибольшее распространение получил рычажный тензометр системы Гугенбергера. В его кинематической схеме применена двойная рычажная система, образованная подвижным рычагом и стрелкой, соединенными поводком. На рисунке 16 и 17 дано конструктивное решение тензометров Гугенбергера и Аистова.

Разность отсчетов по шкале тензометра, имеющей 40-50 делений:

Соотношение плеч рычагов (s, r, n, m) подобрано так, что , а цена деления шкалы равна 0,001 мм, следовательно

где k – поправочный коэффициент.

 

Если измеряемая деформация превышает 40 мкм, можно переставить стрелку прибора с помощью специального ползунка, что отмечается в журнале наблюдений. Для этого в числитель соответствующей графы журнала записывают отсчет, взятый до перестановки стрелки прибора, а в знаменатель – новый отсчет после перестановки стрелки к началу шкалы.

Относительная деформация определяется по формуле:

где l – база тензометра, равная 20мм; при необходимости применяют удлинитель базы до 100-250 мм.

 

Тензометры Гугенбергера и Аистова отличаются высокой точностью измерений, имеют простую конструкцию, малые габариты и массу. Их применяют в лабораторных исследованиях и при полевых испытаниях конструкций. Но в последнем случае следует учитывать и недостатки приборов: необходимость навыка установки, легкую повреждаемость, сравнительно малый диапазон измерений, невозможность использования в дождливую и ветреную погоду.

 

а) общий вид б) кинематическая схема

1 - ползунок; 2 - горизонтальный рычаг; 3 - пружина; 4 - подвижный рычаг;

5 - стопорный рычаг; 6 - призма; 7 - конус; 8 - корпус; 9 - шкала; 10 - стрелка

Рисунок 16 - Тензометр Гугенбергера

1 - неподвижная призма; 2 - подвижная призма; 3 - рычаг;

4 - микрометрический винт; 5 - лимб с делениями; 6 - указатель для снятия отсчетов;

7 - счетчик оборотов; 8 - звуковой сигнал; 9 - изолятор

Рисунок 17 - Тензометр Аистова

ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА