Нагрузочные устройства для создания статических воздействий.

 

1. Классификация силовых воздействий(нагрузок).

 

Методы приложения силовых нагрузок зависят от задач, которые ставятся при проведении испытаний. Испытания проводят на реальных конструкциях, на макетах и моделях.

Цель испытаний заключается в определении несущей способности, жёсткости и трещиностойкости конструкций, зданий и сооружений.

При испытании реальных объектов оценивается фактическое состояние конструкции, поэтому применяется только неразрушающие методы. При испытании опытных конструкций или изделий можно применять как неразрушающие, так и разрушающие методы.

Макет для испытаний представляет собой изделие, которое упрощённо воспроизводит объект испытаний или его часть.

Модель - это изделие, представляющее воспроизведение объекта или его части, выполненное в определённом масштабе.

Макеты и модели применяются в научно-исследовательских испытаниях.

При испытании макетов и моделей, проводимых в научно-исследовательских лабораториях, используется в основном стандартное оборудование.

В настоящее время, когда испытания носят комплексный характер, необходима тщательная подготовка к проведению испытаний:

1. составление технического задания, в котором указывается цели и задачи исследования;

2. создание рабочей программы;

3. подготовка технической документации;

4. разработка стратегии и тактики испытаний;

5. разработка мероприятий по охране труда и технике безопасности, которые должны обязательно соблюдаться на всех стадиях проведения испытаний.

6. далее осуществляется подготовка конструкций к испытанию, которые оснащаются нагрузочными устройствами и комплексом измерительной аппаратуры.

7. После окончания испытаний осуществляется осмотр конструкций, обработка результатов измерений, анализ и выдача рекомендаций.

Различают два типа нагружения: статическое и динамическое. Хотя мы знаем, что любой процесс нагружения протекает во времени, поэтому чисто статических нагрузок не существует.

Статические нагрузки в основном различают по характеру их расположения на конструкциях (рис. 1):

- сосредоточенные (а);

- распределённые по линии (б);

- распределённые по площади (в).

Рис. 1. Статические нагрузки.

 

2. Нагрузочные устройства для создания статических нагрузок.

 

Для создания нагрузок при испытаниях конструкций применяют штучные грузы, ёмкости с водой, сыпучие материалы, песок, щебень, гравий, пневматические подушки, гидравлические и винтовые домкраты. В качестве штучных грузов используют гири, металлические отливки и поковки, бетонные и железобетонные блоки, которые предварительно взвешивают и маркируют.

Для передачи усилий применяют также тали, лебёдки, полиспасты с включением их в цепь динамометров.

В лабораторных условиях при испытании моделей, макетов и образцов применяются стандартное прессовое оборудование и испытательные машины двух типов - машины с жёстким нагружением, в которых задаётся режим деформирования и машины с мягким загружением, в которых задаётся закон изменения силовой нагрузки. Второй тип машин считается более предпочтительным.

Наиболее распространённым и простым способом создания сосредоточенных нагрузок является подвешивание грузов. В то же время этот способ является достаточно громоздким, на рис. 3 представлена схема приложения сосредоточенных нагрузок (рис.3) к нижнему поясу при помощи подвесок. Штучные гири укладываются на грузовые площадки.

Рис. 3. Схема приложения сосредоточенных нагрузок к нижнему поясу фермы: 1 - ферма, 2 - подвески, 3 - грузовые площадки.

Рис. 4. Схема передачи нагрузок через рычажное приспособление.

1-грузовая платформа (площадка), 2-рычажное приспособление, 3-груз, 4-упор для ограничения передачи нагрузок

 

Первая схема часто применяется при испытаниях, но не целесообразна по технике безопасности, поскольку экспериментаторы находятся непосредственно в опасной зоне под испытуемой фермой. Поэтому для испытаний конструкций более предпочтительна вторая схема передачи нагрузок через рычажное устройство с точки зрения техники безопасности, хотя и затрачивается большее количество штучных грузов (рис 4).

Возможен также третий вариант нагружения - это устройство под конструкцией временных подмостей, которые выполняют двойную функцию. Они защищают испытателей от несчастных случаев и, кроме того, к ним можно крепить грузы. Аналогично прикладывается сосредоточенная нагрузка и к верхним узлам фермы.

Системы с натяжными устройствами по принципу работы являются механизмами с жёстким загружением, а системы с подвешенными грузами относятся к механизмам с мягким нагружением.

При испытании конструкций в лабораториях, на полигонах широко используется домкраты для создания сосредоточенных воздействий (рис. 5)

Преимущества использования домкратов:

- небольшие габариты;

- простота создания и регулирования нагрузки;

-возможность приложения нагрузки по любым направлениям.

Применяют гидравлические домкраты с групповой насосной установкой с электрическим или ручным (при малых нагрузках) приводами. Существуют различные типы домкратов, создающие нагрузки до 1000 кН (100 МПа).

Перед испытаниями конструкций каждый домкрат вместе с насосной станцией и гидросистемой подлежат обязательной проверке с помощью эталонных динамометров или на испытательных прессах.

При проведении испытаний конструкций создаётся стационарные или временные стенды.

Стенд представляет собой совокупность опор и опорных устройств, на которых располагается испытуемое изделие.

Временные сборно-разборные стенды представляют собой металлические фермы. Сама конструкция и грузовое оборудование устанавливаются таким образом, чтобы не передавать нагрузку на то основание, на которое опирается ферма. На рис. 5 показана схема приложения нагрузок на временном стенде.

Рис. 5. Схема приложения сосредоточенной нагрузки на временном стенде: 1 - балка, 2 - поперечные траверсы, 3 - тяги, 4 - домкрат, 5 - силовая траверса, 6 - анкеры.

 

К испытуемой балке прикладывается сосредоточенная нагрузка с помощью домкрата 4, тяг 3, поперечных траверс 2. Понятно, что экспериментально создать идеализированную сосредоточенную силу невозможно, но если ее рассредоточить на площадке длинной, составляющей 1/20 от пролёта балки, то разность (погрешность) в величинах моментов составляет менее 3%, а прогибов - 5%.

Схема нагружения железобетонной балки представлена на рис.6

Рис. 6. Схема нагружения железобетонной балки сосредоточенными нагрузками на временном стенде: 1 - балка, 2 - ферма, 3 - угловая траверса, 4 - домкрат, 5 - продольная траверса

 

Металлические фермы 2 располагаются по обеим сторонам испытываемой двухскатной железобетонной балки 1. С помощью продольных траверс 5 нагрузка от домкрата 4 передаётся на две точки балки, причём симметрично с левой и правой стороны относительно ее центральной оси. Домкрат опирается в верхний узел ферму через угловую траверсу 3. На опоры металлической фермы передаётся только собственный вес балки и фермы.

Стационарные стенды представляют собой монолитные железобетонные или металлические конструкции, расположенные на мощном железобетонном монолитном фундаменте. Стенд оснащается обустройствами, позволяющими осуществлять крепёж измерительной аппаратуры. Схема нагружения двухскатной железобетонной балки сосредоточенными нагрузками на стационарном стенде представлена на рис. 7.

Нагрузка от домкрата 2 передаётся через продольные траверсы 3. С помощью поперечных траверс 1 и анкеров 4 усилие передаётся на основание 6.

Рис. 7. Схема нагружения железобетонной конструкции (балки, фермы) сосредоточенными нагрузками на стационарном стенде: 1 - ­поперечные траверсы, 2 - домкрат, 3 - продольные траверсы, 4 - анкера, 5 -балка, 6 - основание.

 

Кроме сосредоточенных, можно нагружать конструкции и равномерно распределёнными нагрузками. Существует много способов нагружения испытываемых конструкций распределёнными нагрузками. На рис. 8 показаны схемы приложения распределённых нагрузок на строительные конструкции с помощью штучных грузов путём установки бетонных или кирпичных столбов 1 (рис. 8а) и металлических грузов 3 (рис. 86).

 

Рис. 8. Схема приложения распределённых нагрузок на строительные балки с помощью штучных грузов: а - кирпичных или бетонных столбиков (1), б - металлических грузов (2), 3 - балка.

 

При загружении конструкций с горизонтальной поверхностью можно использовать воду (рис. 9). Для этого на поверхности конструкции устанавливаются ограждения 1 из лёгких материалов, укладываются защитные полотнища из брезента 3, по верху размещается ёмкость из водонепроницаемого материала 4, в которую подаётся вода (2). Данный способ имеет существенные преимущества:

- возможность точного определения значений нагрузок по высоте столба воды;

- плавная (постепенная) загрузка и разгрузка;

- соблюдение заданного скоростного режима загрузки и разгрузки.

Рис. 9. Схема загружения конструкции водой.. (1-легкие ограждения, 2-вода, 3-брезент, 4-водонепроницаемый материал).

 

Загрузка осуществляется подачей воды из водонапорной сети, разгрузка - откачкой воды насосами или с помощью сифона. Но имеется один недостаток, данный способ можно осуществлять только при положительной температуре.

Распределённую нагрузку можно создавать с помощью сжатого воздуха, но только тогда, когда испытание проводятся в замкнутых боксах.

применение сжатого воздуха запрещено при испытании сосудов, так как при их разрушении возможно обрушение окружающих конструкций и несчастные случаи.

Равномерно распределённую нагрузку можно также имитировать по типу сосредоточенных нагрузок, передавая усилия с помощью ряда рычагов (рис. 10).

Рис. 10. Схема приложения распределённой нагрузки по типу сосредоточенных сил: а - для балки, б - для плиты.

Широкими возможностями обладают лаборатории с силовыми полами и мостовыми кранами высокой грузоподъёмности. Силовой пол - это мощная железобетонная плита, в верхней части которой заподлицо с поверхностью установлены шипы, надёжно заанкерованные в теле бетона. Шипы выполняют в виде металлической коробки с прорезью (рис. 11). В прорезь вставляются болты, к которым крепятся испытываемые конструкции и нагрузочные устройства. Наличие силового пола позволяет устанавливать различные конструкции, широко использовать силовое оборудование и измерительные комплексы, обустраивать объекты испытаний сборно-разборной инвентарной оснасткой.

При одновременном подключении измерительных приборов к ЭВМ достигается высокая степень автоматизации процессов управления экспериментом и обработки полученной информации.

Рис. 11. Схема крепления шин в теле бетона.

Лабораторная работа № 3