Режим испытания при статических испытаниях

При выборе режима испытания устанавливают:

1) требуемую интенсивность нагружения;

2) ступени приложения и снятия нагрузки;

3) продолжительность ее выдерживания на испытываемом объекте.

Назначение величины испытательной нагрузки

Если сооружения или конструкции после испытания должны быть переданы в эксплуатацию, то испытание не должно ухудшать их состояния. Это значит, что в процессе приложения и выдерживания нагруз­ки в испытываемом объекте не должны развиваться остаточные деформа­ции и, тем более, нарушения сплошности, которые в обычных условиях эксплуатации не могли бы появиться.

Максимальная испытательная нагрузка, поэтому не должна вы­ходить за установленный предел. Обычно за этот предел принимается рас­четная нагрузка в наиневыгоднейшем се положении, за исключением тех случаев, когда приложение испытательной нагрузки, превышающей рас­четную, предусмотрено соответствующими техническими условиями.

В качестве примера можно привести правила приемки стальных вертикальных цилиндрических резервуаров для нефти и нефтепродуктов. Емкости, проверяемые на прочность, должны быть заполнены водой до расчетной отметки, а избыточное давление воздуха и вакуум в так называе­мом «газовом пространстве» резервуара (над залитой жидкостью) должны превышать проектные; избыточное давление на 25%,а вакуум, в зависимо­сти от типа резервуаров, на 25- 50%.

При испытаниях опытных объектов, передача которых в эксплуа­тацию не предусматривается, указанные выше ограничения отпадают, и максимум нагрузки назначается в зависимости от поставленной задачи.

Если целью испытания является определение несущей способности или исследование условий появления местных повреждений (трещин, ско­лов и т.п.), то значения максимальной нагрузки уточняют непосредственно в процессе эксперимента в соответствии с его полученными промежуточ­ными результатами. Однако до начала испытания этот максимум должен быть оценен ориентировочно для подсчета требуемой нагрузки. Последняя должна браться «с запасом» - во избежание задержек в ходе испытания в случае ее недостаточности.

Испытание железобетонных изделий серийного изготовления и отбор контрольных образцов проводятся следующим образом:

• при проверке на прочность контрольная нагрузка принимается равной расчетной, умноженной на коэффициент С, численные значения которого берутся от 1,4 до 2,0 в зависимости от типа конструкции, вида примененного бетона н характера ожидаемого разрушения;

• при проверке на жесткость контрольная нагрузка принимается равной нормативной в наиневыгоднейшем ее положении;

• при проверке на трещиностойкость - для изделий первой кате­гории трещине-стойкости нагрузка берется равной 1,05 от расчетной, а для второй категории - 1,05 от нормативной.

Последовательность приложения и снятия нагрузки

Ступени погружения. При их назначении исходят из того, что, с одной стороны, чем меньше каждая ступень, тем чаще в процессе нагружения могут быть взяты отсчеты по приборам. Графики исследуемых харак­теристик строятся поэтому более четко (по большему числу точек), это осо­бенно существенно при наличии нелинейной зависимости между нагрузкой и исследуемой характеристикой; с другой стороны, с уменьшением ступе­ней нагрузки возрастает их общее чисто, что делает процесс испытания более длительным и трудоемким.

Учитывая эти положения, в каждом конкретном случае приходится находить оптимальное решение.

Так, например, для контрольных испытаний образцов железобе­тонных изделий серийного изготовления имеются следующие указания:

• при проверке прочности ступени («доли») нагрузки не должны превосходить 10% от ее контрольного (т. е. максимального) значения;

• при проверке жесткости сооружения ступени должны быть не более 20% от соответствующей контрольной;

• при проверке трещиностойкости после приложения нагрузки, равной 90% от соответствующей контрольной, каждая последующая доля загружения, вплоть до момента появления третий, должна составлять не более 5% контрольной.

Для облегчения обработки результатов испытаний последователь­ные ступени нагрузки должны быть по возможности одинаковыми.

Начальную ступень нагружения следует брать небольшой (порядка 5%, но не более 10% от ожидаемой максимальной нагрузки), поскольку в начале формирования приложения усилий часть их идет на обмятие под­кладок в опорах и под нагрузочными приспособлениями, вытяжку тяг и т.д. Для уменьшения этих потерь прибегают к повторным приложениям и сня­тиям начальной ступени нагружения. Такие повторные нагрузки полезны также и для проверки возвращения «на нуль» показаний установленных приборов.

При использовании подвижной нагрузки для той же цели делают пробные обкатки.

Разгрузка. Ступени разгрузки полезно брать такими же, как и сту­пени нагружения. Этим существенно облегчается сравнение «прямых» и «обратных» ходов показаний приборов.

Однако для ускорения процесса испытания нередко приходится прибегать к сокращению числа ступеней разгрузки. Их следует тогда брать кратными ступеням нагружения, с тем чтобы совпадение соответствующих точек прямого и обратного ходов все же сохранялось.

При повторных (циклических) загружениях нагрузка после каждо­го цикла должна сниматься не полностью, а доводиться до уровня первой (начальной) ступени. Этим обеспечивается необходимая жесткость испыта­ния, поскольку все нагрузочные устройства остаются включенными. При полной же разгрузке не исключена возможность небольших перекосов и смещений нагрузочных устройств, что затрудняет сопоставление получае­мых результатов.

Режим выдерживания нагрузки

Для выяснения закономерности приращения перемещений и де­формаций после приложения нагрузки обычно бывает достаточна выдерж­ка:

• для металлических конструкций - от 15 до 30 мин;

• железобетонных конструкций - около 24ч;

• деревянных конструкций - от 12ч до нескольких суток.

Если перемещения и деформаций при постоянной нагрузке в ука­занные выше сроки не затухают, то время ее выдерживания удлиняется. Если замедления нарастания перемещений и деформаций не наблюдается, то испытываемый объект является негодным для эксплуатации в заданных условиях.

Для выборочных испытаний образцов железобетонных изделий се­рийного изготовления ГОСТ 8829-60 предусматривает обязательную вы­держку:

- при контрольных загружениях на жесткость и трещиностойкость - не менее 30 мин;

- после каждой промежуточной ступени загружения - не менее 10 мин.

Указания о длительности выдержки испытательной нагрузки име­ются и в других нормативных документах.

Так, например, при приемке стальных вертикальных цилиндриче­ских резервуаров выдерживание их под гидростатическим давлением осуществляется для емкостей до 5000м³ включительно - не менее 24ч. а свыше 10000м³ - не менее 72ч.

Проведение статических испытаний

Подготовительные работы

Большие трудоемкость и стоимость статических загружений, наря­ду с трудностью (а в отдельных случаях и невозможностью) повторения испытаний, требуют тщательной предварительной отработки их програм­мы. Правильность ее выбора в значительной степени предопределяет как эффективность всей предстоящей работы, так и надежность всех данных, получаемых в результате испытания.

Перед началом испытаний должна быть проведена необходимая подготовка: смонтированы нагрузочные приспособления и подготовлена нагрузка; установлены подмости и ограждения; обеспечено, если это вызы­вается условиями испытаний, дополнительное освещение мест установки приборов; согласованы перерывы в эксплуатации исследуемого объекта и т.д.

Предварительные подсчеты. Уточняется требуемая испытатель­ная нагрузка и определяются соответствующие этой нагрузке значения пе­ремещений, деформаций, напряжений и усилий, возникающих в исследуе­мых элементах конструкций.

Такие подсчеты являются продолжением перерасчетов, выполняе­мых по результатам освидетельствования, и производятся с учетом всех выявленных при этом отступлений от проекта, уточненных характеристик материала, обнаруженных ослаблений и т. д. В сооружениях с неявно вы­раженной расчетной схемой, допускающей выбор нескольких возможных вариантов, предварительные подсчеты должны быть выполнены по всем этим схемам. Сравнение с результатами испытаний позволяет в дальней­шем выбрать из них схему, наиболее близкую к действительной работе со­оружения.

Аналогично поступают в отношении модуля упругости и других характеристик материала, если до начала испытания значения их не могут быть надежно определены. Эти подсчеты ведутся в пределах возможных диапазонов с дальнейшим уточнением фактических значений по результа­там испытаний.

Размещение приборов

Перед испытанием составляется схема расположения измеритель­ных приборов с указанием их типа и характеристик. При этом учитываются следующие положения:

1) измерения наиболее ответственных параметров, определяющих работоспособность сооружения, следует для исключения возможности ошибок дублировать, применяя приборы различного принципа действия. Так, например, прогиб ферм, измеренный с помощью прогибомеров, целе­сообразно измерять также путем нивелирования;

2) к группам однотипных приборов добавляется контрольный при­бор, находящийся в тех же условиях, но расположенный на элементе, не участвующем в работе сооружения. Изменение показателей контрольного прибора позволяет учесть влияние внешних факторов на результаты изме­рений и внести в них соответствующие поправки;

3) в то же время не следует без особой в этом необходимости уве­личивать общее число устанавливаемых приборов, т.к. лишние приборы удлиняют время снятия отсчетов и, не принося особой пользы, усложняют проведение испытаний и обработку их результатов;

4) при прочих равны, условиях приборы нужно устанавливать там, где измеряемые показатели достигают наибольших значений. Нецелесообразно ставить приборы в зоне «нулевых» отсчетов (например, тензометры вдоль нейтральной оси изгибаемого элемента), поскольку даже небольшие погрешности измерений в данном случае будут сильно искажать получаемые результаты.

Схемы размещения приборов при измерении прогибов, углов пово­рота и деформаций с целью оценки одноосного, плоского и сложнонапряженного состояния исследуемой расчетной среды показаны соответственно на рис.4, 5,6.

Рис. 4. Установка приборов для измерения углов наклона; 1,2- клинометры; 3 - начальное положение оси балки; 4 - упругая линия изогну­той оси балки

а б в г

Рис.5. Расстановка тензометров по периметру поперечного сечения стержней: 1- 4 - тензометры,

Рис. 6. Схемы размещения тензорезисторов в двухмерном пояс деформаций; а- под углом 90° ; б - прямоугольная розетка; в - веерная прямоугольная розетка; г - равноугольная дельта-розетка; д - Т-дельта-розетка

Измерение фибровых деформаций при оценке сложнонапряженного состояния является наиболее сложной задачей, как в методическом, так и в экспериментальном плане, поскольку измерительные приборы должны быть расположены в толще материала и присутствие их не должно вызы­вать искажений поля напряжений в исследуемой точке.

Направление деформаций в материале в общем случае неизвестно. Для определения величин главных деформаций (3 параметра) и их ориента­ции (также 3 параметра) требуется установка в зоне каждой исследуемой точки не менее шести приборов. Целесообразно применять для этой цели (в крупных бетонных массивах) рассмотренные выше струнные тензометры, обеспечивающие в данных условиях получение наиболее надежных результатов.

Во время бетонирования важно сохранить заданную ориентацию устанавливаемых приборов, для чего тензометры крепят к легкому, но прочному каркасу арматурной проволокой. Рядом с каждой группой тензо­метров помещают контрольные приборы для исключения влияния измене­ний температуры, усадки бетона и других факторов, вносящих искажения в регистрируемые показания.

Обработка результатов статических испытаний

Графическая обработка

Первым этапом графической обработки является тщательный контроль достоверности полученных экспериментальных данных. Различного рода отклонения в правильности хода приборов (переломы графиков, резкие «выпады» отдельных точек и т. д.) оценивают при этом с точки зрения возможности их появления по условиям работы конструкции и сравнивают с одновременно отмеченными показаниями других приборов, а также записями в журналах испытаний.

В ряде случаев отклонения показаний приборов, совпадающие с моментами образования трещин в нагружаемых конструкциях, сдвигами элементов и т. д., могут быть объяснены влиянием этих факторов, а отсчеты признаны в достаточной степени надежными. Отдельные поправки в графики показаний могут быть внесены на основании измерений контроль­ными приборами. В качестве примера на рис. 7 показан ход рабочего 1 и контрольного 2 прогибомеров.

Рис.7. Зависимость отсчетов по приборам от нагрузки с учетом поправок; 1.2- графики показаний соответственно рабочего и контрольного приборов; 3 - откорректированный график рабочего прибора

Оба прибора, установленные в непосредственной близости друг от друга, находились в одинаковых условиях в отношении температуры, на­грева солнечными лучами, воздействия прорывов ветра и т. д., но прогибомер 2 не регистрировал перемещений.

Изменения его показаний вносят поэтому как поправки при вычер­чивании графика 3. который и принимается в качестве исходного для даль­нейшего анализа полученного графического материала.

Кроме отмеченного, на практике в обязательном порядке строят графики «время-нагрузка-деформация», которые повышают эффективность графического анализа полученного экспериментального материала.

Определение прогибов при загружении простой балки

При установке приборов над опорами и посредине пролета (рис.8) прогиб f легко получить из соотношения:

  ,

где y₁, y₃- осадки в опорных сечениях,

y₂ - перемещение среднего сечения.

Переход от f к полному значению прогиба f ^/ производится с учетом очертания упругой линии изогнутой балки.

а б

Рис. 8. Расстановка приборов при измерении прогибов:

а - при доступности опорных сечений балки;

б - при прогибомерах, сдвинутых от края вдоль пролета:

l - пролет балки, l^/ - расстояние между сдвинутыми прогибомерами, f - прогиб

среднего сечения с учетом осадки опор, f ^/- частичное смешение среднего сечения, зафиксированное при сдвинутых крайних приборах; 1,2. 3 - прогибомеры

Определение главных фибровых деформаций

Обработка результатов измерения деформаций облегчается, если установка тензометров или наклейка тензорезисторов производится по на­правлению главных деформаций. В простейших случаях эти направления заранее известны, а в более сложных могут быть определены, например. путем нанесения хрупкого лакового покрытия на поверхности исследуемых элементов.

Часто, однако, ориентация главных деформаций не может быть заранее установлена и приходится считаться с тем, что установка тензометров или наклейка тензорезисторов проводится по отношению к главным осям под неизвестным углом. Этот угол α, как и значения главных деформаций, должен быть в таком случае уточнен расчетным путем.

Так, для прямоугольной розетки (рис.9,а) расчетные формулы имеют следующий вид:

 

а б

Рис. 9. К ориентации розеток тензорезисторов относительно главных осей: а - прямоугольная розетка: б - равноугольная розетка; 1, 2. 3 – тензорезисторы

x, y-главные оси; о - угол между осью x и направлением тензорезистора 1

а для равноугольной розетки (рис.9б) расчетные формулы имеют вид:

где ₁, ₂, ₃, - фибровые деформации соответственно по трем выделенным направлениям.

На практике при большом количестве экспериментальных данных обработка полученных данных ведется с помощью вычислительных машин.

Переход от фибровых деформаций к напряжениям

В упругой стадии работы материала при одноосном напряженном состоянии (и проведении измерений в направлении действующего усилия) переход от деформации к определяемому напряжению о базируется на соотношении = Е.

При двухосном напряженном состоянии материала исходят из обобщенного закона Гука:

где - коэффициент Пуассона.

В пластической стадии работы деформации и соответствующие им напряжения также взаимосвязаны. При обработке экспериментальных дан­ных используют рассматриваемую в теории пластичности зависимость ме­жду _i («интенсивностью» деформаций) и _i («интенсивностью» напряже­ний) в исследуемой точке материала _i и _i , которые связаны с главными напряжениями (₁, ₂, ₃ ) и главными деформациями (₁, ₂, ₃) выражения­ми:

При переходе от измеренных деформаций к напряжениям, учиты­вая фактические размеры исследуемых элементов, можно определить зна­чения внутренних усилий, возникших в конструкции под действием прило­женной нагрузки.