Краткие теоретические сведения. Ультразвуковым импульсным методом определяют прочность бетонов классов В7,5 – В35 на

Ультразвуковым импульсным методом определяют прочность бетонов классов В7,5 – В35 на сжатие. Он основан на связи между скоростью распространения ультразвуковых колебаний и прочностью бетона. Ультразвуковые измерения в бетоне проводят способами сквозного или поверхностного прозвучивания.

Прибор ультразвуковой УИС-23 (рис. 1.1) предназначен для определения прочности бетона, сборных и монолитных бетонных и железобетонных конструкций; контроля качества огнеупорных бетонных изделий; определения прочности на сжатие кирпича и камней силикатных; обнаружения дефектов, нарушения структуры в изделиях и материалах. Прибор реализует ультразвуковой импульсный метод с раздельным вводом и последующим приёмом УЗУ, прошедших через контролируемый материал. Масса прибора 0,8 кг.

Рисунок 1.1 – Прибор ультразвуковой УИС-23 для определения прочности сборного и монолитного бетона

Рисунок 1.2 – Дефектоскоп ультразвуковой А1212

 

Для поиска инородных включений, пустот и трещин внутри изделий и конструкций из железобетона, камня, пластмасс и подобных им материалов при одностороннем доступе к объекту контроля можно использовать дефектоскоп ультразвуковой А1212 (рис. 1.2). Дефектоскоп может применяться для измерения толщины изделия, для исследования внутренней структуры вышеперечисленных материалов и оценки их прочности. Измерение ведётся как при сквозном, так и при поверхностном прозвучивании. Прибор имеет небольшие размеры и малый вес.

В приборах применен микропроцессор, обеспечивающий вычисление скорости распространения ультразвука по измеренному времени его прохождения через заданную базу. Режим измерения может быть автоматическим и ручным. Индикация измеренных и вычисленных величин осуществляется на ЖК дисплее.

При испытании образца между ним и преобразователями наносят контактирующую среду (для металла - минеральное масле, для бетона - технический вазелин, солидол или эпоксидная смола) для обеспечения акустического контакта.

Для построения градуировочных зависимостей «скорость распространения ультразвука - прочность бетона при сквозном прозвучивании и при поверхностном прозвучивании проводим параллельные испытания образцов бетона вначале ультразвуковым методом, а затем на гидравлическом прессе до разрушения.

Каждая из градуировочных зависимостей строится по результатам испытания не менее 15 серий образцов-кубов, серия включает в себя три образца-близнеца. Студенческая подгруппа испытывает три образца-близнеца одной серии.

Испытанию подвергаются кубы с ребром 10 см. Для перевода предела прочности таких кубов к прочности эталонного куба с ребром 15 см используется переводной коэффициент 0,91.

1.4 Порядок работы на занятии:

- подготовить прибор УИС-23 к работе согласно инструкции (к моменту испытания уже проведена операция установки нуля по маркированным отраслевым стандартным образцам, входящим в комплект прибора);

- измерить штангенциркулем или металлической линейкой (с точно-стью до 0,1 мм) грани всех трех бетонных кубов серии, определяющие средние рабочие площади образцов, учитывая, что кубы будут устанавли-ваться на опорную плиту пресса гранями, являвшимися при формовании боковыми, и сжимающая сила будет направлена параллельно слоям уклад-ки (т.е. поверхность бетонирования кебов должна оказаться боковой

- один из обмеренных кубов поставить на стол так, как он стоял при бетонировании (поверхностью бетонирования вверх); по схеме, показанной на рис. 1.3,а, трижды произвести сквозное прозвучивание образца, каждый раз фиксируя время прохождения ультразвуковых колебаний через бетон; результаты измерений и значение базы прозвучивания записать в таблицу;

- повторить эти операции на двух других кубах серии;

- при прежнем положении куба на столе по схеме, показанной на рис. 1.3,б, четырежды произвести поверхностное прозвучивание образца, фиксируя время прохождения ультразвука на длине каждой из баз; результаты измерений и 'значения баз прозвучивания записать в таблицу;

- повторить эти операции на двух других кубах серии;

- установить на опорную плиту пресса один из кубов таким образом, чтобы поверхность бетонирования оказалась боковой;

 

Рисунок 1.3 - Схема прозвучивания образцов:

а - сквозного, б - поверхностного; 1,2,3,4 - точки установки преобразователей (излучателя и приемника); 5 - направление уплотнения; 6 - направление испытания при сжатии

- наращивая непрерывно и равномерно со скоростью около 6 кН/с (0,6 МПа/с) нагрузку на образец, довести его до разрушения; максимальное усилие, достигнутое в процессе испытания, принять за величину разрушающей нагрузки ка образец и записать ее в таблицу;

- повторить эту операцию на двух других кубах серии.

1.5 Порядок выполнения индивидуального задания и подготовки отчета:

- по формуле R = 0,91 P/А определить предел прочности бетона при сжатии каждого из кубов и записать его в таблицу, учитывая, что 1 кг/см² = 0,1 МПа;

- найти среднее значение R;

- вычислить скорость распространения ультразвука при каждом из девяти сквозных прозвучиваний и среднюю скорость в образцах, учитывая, что 1 мм/мкс = 1000 м/с;

- вычислить скорость распространения ультразвука при каждом из 12 поверхностных прозвучиваний и среднюю скорость в образцах;

- определить среднюю скорость распространения ультразвука при способе сквозного прозвучивания образцов серии;

- определить среднюю скорость распространения ультразвука при способе поверхностного прознучивания образцов серии;

- в прямоугольной системе координат по оси абсцисс отложись полученное среднее значение скорости распространения ультразвука при способе сквозного прозвучивания, а по оси ординат - среднее значение прочности бетона испытанных на прессе кубов;

- в прямоугольной системе координат по оси абсцисс отложить полученное среднее значение скорости распространения ультразвука при способе поверхностного прозвучивания, а по оси ординат - среднее значение прочности бетона испытанных на прессе кубов.

Эти экспериментальные результаты наряду с данными, полученными в других учебных группах, позволяют построить градуировочные кривые для ультразвукового импульсного метода испытания бетона.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое ультразвук?

2. Принципы генерации и регистрации ультразвука.

3. Зависимость скорости ультразвука от механических параметров материала.

4. Способы прозвучивания испытуемых образцов.

5. Как обеспечить акустический контакт прибора с обследуемой конструкцией?

 

2 Занятие № 2 Вибрационный метод определения жесткости конструкции

2.1 Цель занятия:

Научиться определять изгибную жесткость балок с одной и бесконечным числом степеней свободы по измеренным частотам первой формы свободных поперечных колебаний.

2.2 Техническое обеспечение работы:

- стационарный универсальный испытательный стенд;

- металлическая балка из двутавра N 10 пролетом 2,5 м;

- груз весом 0,3 кН;

- быстродействующий самопишущий прибор Н3031-4;

- пьезоэлектрический датчик виброускорений;

- молоток.

Краткая теория

Вибрационный метод, в основе которого лежит явление механических колебаний твердых тел, позволяет определить главные характеристики, обусловливающие несущую способность и деформативность изгибаемых элементов:

- марку бетона;

- предельную разрушающую нагрузку;

- прогиб от нормативной нагрузки.

Эти параметры определяются по частоте, амплитуде собственных колебаний конструкций и характеристике их затухания, поскольку известно, что колебания с частотой, присущей данной системе, зависят от ее массы, размеров конструкции и характера опирания. Этот метод применяется главным образом на ДСК при контроле изготовления отдельных конструкций. Прибором (виброметром) «Вист-2.3» определяют среднеквадратичное значение виброскорости, амплитуды и частоты колебаний виброустановок, используемых для изготовления железобетонных изделий, а также для измерения параметров вибрации.

Собственная частота поперечных колебаний шарнирно опертой стальной однопролетной балки, являющейся системой с бесконечным числом степеней свободы, как известно из сопротивления материалов, определяется по формуле

,                                    (2.1)

где i - номер формы колебаний;

E_s - модуль упругости материала балки, E_s = 2,1*10⁵ МПа;

I_Х- момент инерции сечения двутавровой балки № 10, I_x = 198 см⁴;

m - распределенная (на 1 см длины балки) масса, определяемая по формуле m = P/(gl), здесь Р - вес балки, Р = 0,24 кН;

g - ускорение свободного падения, g = 981см/с²;

1 - пролет балки, 1 = 250 см.

Для первой формы, когда ось балки образует при колебании одну полуволну, формула (2.1) принимает вид

,                       (2.2)

отсюда жесткость балки  равна

 

,                                     (2.3)

а момент инерции сечения

,                                         (2.4)

Подставляя в формулы (2.3) и (2.4) значения входящих в них параметров, получаем

,                                 (2.5)

.                          (2.6)

Собственная частота поперечных колебаний шарнирно опертой стальной однопролетной балки с сосредоточенным грузом в середине пролета, являющейся системой с одной степенью свободы, с учетом распределенной массы от собственного веса балки, как известно из сопротивления материалов, определяется по формуле

,                               (2.7)

где  - масса сосредоточенного груза, определяемая по формуле ;

 - вес груза,  кН;

- приведенная масса балки, определяемая по формуле .

Формулу (2.7) можно записать в виде

,                         (2.8)

Отсюда жесткость балки равна

,                         (2.9)

а момент инерции сечения

.                    (2.10)

Подставляя в формулы (7.9) и (7.10) значения входящих в них параметров, получаем

,      (2.11)

.       (2.12)

 

Порядок работы на занятии

Установить на испытательный стенд опытную стальную банку из двутавра № 10 пролетом 250 см; закрепить в середине ее пролета пьезоэлектрический датчик виброускорений.

Подготовить прибор H3C31-4 к работе согласно инструкции (вста-вить диаграммную ленту в лентопротяжный механизм; заправить измери-тельный блок чернилами; соединить чернильницу с пишущим устрой-ством; установить пишущее устройство на нулевую линию ленты и распо-ложить трубку в вертикальной плоскости; через отверстие в пробке чер-нильницы прокачать чернила до появления капли на конце капилляра пи-шущего устройства; соединить клемму рабочего заземления, расположен-ного на задней крышке прибора, с шиной заземления; включить питание прибора и прогреть его в течение 5 мин; включить скорость перемещения ленты 100 мм/с; переключатель диапазонов измерений в измерительном канале поставить в положение 500 мВ/см; ручкой «УСТ 0» установить конец пишущего устройства на нулевую линию ленты; переключатель диапазонов измерений поставить в положение "КАЛИБР"; ручкой "УСИЛЕ-НИЕ" установить пишущее устройство на крайнюю линию записи (20 мм); переключатель диапазонов измерений поставить в положение "ОТКЛ"; подключить вход измерительного каната к пьезоэлектрическому датчику виброускорений на конструкции).

Ударить молотком по балке сверху вниз в середине пролета и зарегистрировать быстропротекающий колебательный процесс.

Закрепить в середине пролета балки груз весом 0,3 кН.

Вновь ударить молотком по балке и зарегистрировать быстропротекающий колебательный процесс.

Определить по полученным виброграммам частоты колебаний (число колебаний в секунду) балки без груза и с сосредоточенным грузом, как средние значения для соответствующих измерений.

Подставив в формулы (2.5), (2.6), (2.11) и (2.12) экспериментально полученные частоты свободных поперечных колебаний, определить значения изгибной жесткости и момента инерции сечения балки.

Сделать выводы о соответствии полученных в двух опытах значений изгибной жесткости, а моменты инерции сопоставить со значением, взятым из сортамента.