Специальности 270102
«Промышленное и гражданское строительство»
Москва 2008 год
Составители:
Проф., д.т.н. Доркин В.В,
Доцент., к.т.н. Морозова Д.В.
Доцент., к.т.н. Демидов Н.Н.
Рецензенты:
доцент кафедры «Металлические конструкции» Московского Государственного строительного университета, к.т.н. Вершинин В.П.
Профессор кафедры «Строительные конструкции» МГОУ, к.т.н. Окольникова Г.Э.
Содержание
Глава 1. Цели и задачи экспериментальных методов испытания конструкций........ 4
1.1.Необходимость постановки экспериментальных исследований...................... 4
1.2.Историческая справка......................................................................................... 4
1.3. Цели и задачи экспериментальных методов испытания сооружений............. 9
1.4. Расчетная схема и ее взаимосвязь с реальной конструкцией........................ 11
1.5. Условность расчетных характеристик............................................................ 13
Изменение работы сооружения во времени.......................................................... 14
Глава 2. Теоретические основы и методология экспериментальных исследований. 14
Глава 3. Основы метрологии и стандартизации........................................................ 18
3.1 Средства измерений.......................................................................................... 22
3.2 Системы единиц измерений.............................................................................. 23
3.3 Эталоны. Основные единицы системы Си....................................................... 26
3.4 Метрологическая служба РФ............................................................................ 30
Глава 4. Нагрузочные устройства для создания статической распределенной и сосредоточенной нагрузок...................................................................................................................................... 31
Глава 5. Аппаратура и методы регистрации результатов измерений при статических и динамических испытаниях.................................................................................................................. 39
Приборы для определения линейных перемещений и деформаций.................... 39
Поверка показаний приборов и тарировочные приборы...................................... 51
Глава 6. Проверка качества и состояния материала конструкций и соединения элементов 52
Введение.................................................................................................................. 52
6.1 Испытание бетона физическими методами..................................................... 52
Резонансный метод.............................................................................................. 52
Импульсный ультразвуковой метод................................................................... 54
Ударный метод.................................................................................................... 57
Радиометрический метод.................................................................................... 57
6.2 Испытание бетона с помощью приборов механического действия............... 58
Определение прочности бетона по величине упругого отскока....................... 58
Определение прочности бетона по величине проникновения в него твердого штампа. 60
Учет различных факторов, влияющих на результаты определения прочности бетона методом упругого отскока и методом пластических деформаций.................................. 62
Определение твердости и предела прочности металла........................................ 63
Определение твердости металла по Бринеллю................................................. 63
Глава 7. Освидетельствование зданий и сооружений ……………………………………63
Виды освидетельствования и методика их проведения........................................ 63
Состав и порядок освидетельствования................................................................. 64
Глава 8. Испытание конструкций поляризационно-оптическим методом.............. 66
Литература.................................................................................................................. 73
Глава 1. Цели и задачи экспериментальных методов испытания конструкций.
1.1. Необходимость постановки экспериментальных исследований.
1.2. Краткий исторический обзор развития экспериментальных методов в строительной механике, в исследовании материалов и сооружений.
1.3. Расчетная схема и ее взаимосвязь с реальной конструкцией. Причины отклонения расчетной схемы от действительной работы конструкции. Совершенствование методов расчета на основе новых экспериментальных данных.
1.4. Диагностика состояний конструкции и контроль качества изготовления элементов конструкции. Влияние технологии изготовления элементов конструкций и сборки на напряженное состояние сооружений. Действительная работа строительных конструкций и фактическое напряженно-деформированное состояние.
1.5. Задачи испытания конструкций и сооружений.
Страницы истории.
Мост Кулибина.
История России знает много талантов – «самоучек», выходцев из «низов». Ярким самородком называли современники Ивана Петровича Кулибина, сына нижегородского мещанина. Уже простое перечисление его диковинных изобретений способно поразить воображение: часы, телескоп, микроскоп, барометр, фонари с зеркальным рефлектором, прожекторы, оптический телеграф, сеяла, плавучая мельница. «Список» этот можно дополнят долго – трехколесный самокат, грузоподъемный механизм, самодвижущееся судно…
Слава о необыкновенном изобретателе облетела всю Россию. Прослышали о мастере и в Петербурге и пригласили его в столичную Академию наук, назначив главою механических мастерских.
В то время в городе через Неву были только понтонные мосты, очень неудобные и небезопасные. Они мешали судоходству, а весной и осенью их разбирали. Кулибина увлекла идея – построить настоящий мост, арочный, однопролетный. Мастер замыслил соединить деревянным мостом Адмиралтейскую часть города с Васильевским островом у Исаакиевского собора.
Кулибина не удовлетворили первые два варианта его собственного проекта. Основным конструктивным элементом третьего были деревянные брусья длиной по семнадцать метров, образующие ромбические решетки (пять по вертикали и двести восемь вдоль моста). Из них скомпонованы шесть основных и две дополнительные фермы. Для арки, пролет которой составлял 300 метров, требовалось почти 13000 деревянных деталей, 50000 железных болтов, 5500 железных четырехугольных обойм. Арка должна была заканчиваться у берегов наклонными деревянными сваями, вбитыми в грунт, а удерживали бы ее, по замыслу автора, тросы, закрепленные в береговых башнях.
Выполнив расчеты, Кулибин приступил к постройке модели моста длиной в 14 сажен (около 30 метров). На это ушло 17 месяцев. И вот модель готова. Она весила 330 пудов (5,4 тонны) и в соответствии с законами механики могла выдержать нагрузку, в девять раз большую: около 3000 пудов (примерно 50 тонн). Для испытания ее собралась представительная комиссия.
На модель положили 3000 пудов груза. Она выдержала. Кулибин попросил уложить дополнительный груз – 3550 пудов. Модель не дрогнула. Тогда Кулибин встал на модель и пригласил собравшихся последовать его примеру. Они не без испуга согласились.
Эйлер – знаменитый математик, механик и физик обнял и поздравил Кулибина, сказав: «Радостно видеть, что верные исчисления ваши принесли желаемый успех. Поздравляю вас с отличным художеством!». Затем обратился к академикам: «Полюбуйтесь на его модель дугообразного моста, стоящую на дворе нашей академии: ведь это верх совершенства! О, господа. Мы с вами много, много учились, а кто из нас изобрел что-нибудь подобное?».
Груз оставили на модели и в течение 28 дней проверяли, нет ли деформаций. Для записи показателей завели специальный журнал. Испытания успешно закончились в январе 1777 года. «Конструкция модели безупречна» - под таким заключением подписались все члены комиссии.
О чудесной «диковине» прослышали за рубежом. Известный швейцарский механик и математик Даниил Бернулли писал своему ученику Фуссу в Петербург: «То, что вы сообщаете о механике-самоучке Кулибине по поводу деревянного моста через Неву, дает мне высокое мнение об этом искусном строителе, воспитанном между простыми крестьянами».
Но, как это ни горько, проекту не суждено было осуществиться. Семнадцать лет простояла модель во дворе Академии наук. Затем ее перевезли в Таврический сад и установили над прудом, чтобы «сделать приятным зрелищем публики».
Но нельзя не гордиться тем, что 200 лет назад русский мастеровой-самоучка намного опередил современников.
Определив опытным путем порядок взаимодействия сил в арке, Кулибин впервые применил способ веревочного многоугольника для уточнения арочной дуги. Этот способ получил научное обоснование значительно позже. Систему решетчатых ферм лишь 50 лет спустя применили в Америке. Построенный в Швейцарии в 1778 году деревянный мост через реку Лиммат имел длину всего 119 метров. В России первый деревянный арочный семипролетный мост на деревянных свайных опорах был построен через Малую Невку лишь в 1813 году.
Описание проекта, составленное Кулибиным и изданное книгой, до сих пор признается ценным документом по истории строительной техники России.
А. Ионов, архитектор.
Инженерный эксперимент
Инженерные эксперименты можно классифицировать по различным признакам: числу переменных; влиянию внешних факторов; характеру взаимодействия этих переменных (действие нагрузки, например) и т.д. они могут носить различный характер: промышленный, производственный, исследовательский, поисковый, теоретический и прикладной.
Любой эксперимент, каким бы сложным он ни был, заканчивается представлением результатов, формулировкой выводов и дачей рекомендаций. Это может быть представлено в виде графиков или кривых, математических формул или монограмм, таблиц, статистических данных или словесных описаний.
Определения и термины.
А) Оборудование для проведения эксперимента.
1. Измерительные приборы – воспринимают, считывают, измеряют, наблюдают, а затем записывают и хранят в памяти, корректируют и показывают все требуемые параметры.
2. Испытательная аппаратура – все, что необходимо для проведения эксперимента, включая измерительные приборы и объект исследования.
3. Образец для испытаний – объект, подвергаемые испытаниям, который при необходимости можно заменить другим. Не во всех экспериментах имеется образец для испытания. Например, при испытании нового метода производства с использованием станков, материала и привлечением рабочей силы отсутствует какой-либо образец для испытаний. Если испытывается балка, ферма, мост, - то это и будет представлять собой образец для испытаний.
Б) План эксперимента – общий термин. Он определяет набор инструкций по проведению эксперимента, в которых указана последовательность работы, характер и величина измерения переменных и даются указания о проведении повторных измерений.
1. Репликация – повторение эксперимента, точки возвращения к первоначальным условиям (испытание образцов-близнецов на сжатие, ползучесть и т.д.).
2. Термин «переменная» - означает любую варьируемую величину. Если варьирование (изменение) переменной происходит независимо от других величин, то ее называют независимой переменной. Если физическая величина изменяется при изменении одной или большего числа независимых переменных, то она называется зависимой. Если некоторая физическая величина, оказывающая влияние на эксперимент, изменяется случайным образом и ее нельзя контролировать, то она называется внешней переменной.
Пример: Входное напряжение и выходная нагрузка электродвигателя могут изменяться независимо друг от друга. КПД, температура обмотки и входной ток – могут служить примером зависимой переменной. Окружающая температура и колебания частоты тока в линии – внешние переменные.
В контролируемом эксперименте влияние внешних переменных исключено и независимые переменные можно изменять по желанию исследователя.
Проведение контролируемого эксперимента или изоляция его от окружающих условий является одним из основных принципов научного эксперимента.
В) Измерения независимых, зависимых и внешних переменных осуществляется с помощью приборов. При измерениях возникает термин «Ошибка» измерения, который будет рассмотрен в разделе «Метрология». В разделе «Статистическая обработка данных и теория вероятности» будет освещен вопрос оценки ошибки, их виды, критерии точности измерений и т.д.
Г) Серия испытаний проводится при фиксированной установке аппаратуры или включается по определенной схеме и производится запись всех измерений. В результате каждого испытания получают определенную точку или экспериментальный отсчет.
Д) Термин «данные» относится ко всем «продуктам» эксперимента (фотоснимки, записанные цифры, показания механических счетчиков и т.д.).
- Необработанные данные – информация, записанная в символическом виде, получаемая непосредственно от измерительных приборов.
- Обработанные данные – тоже информация после выполнения над ней ряда математических операций.
- Обработанные данные, нанесенные на график, образуют кривую. Они могут привести также к некоторому функциональному соотношению между независимыми и зависимыми переменными, которое обычно записывается в виде формул.
СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ.
Все измерения выполняются с помощью технических средств, которые имеют нормированные погрешности и называются средствами измерений.
Метрология дает единую классификационную схему средств измерений и выявляет совокупность их параметров, стандартизация которых позволила бы выбрать средства, обеспечивающие полученные результаты с заданной точностью, прогнозировать точность проводимых с помощью этих средств измерений и устанавливает методы их поверки.
Меры - средства измерений, предназначенные для воспроизведения физических величин заданного размера. Бывают меры однозначные и многозначные (рефракции, миллиметровая линейка, вариометр).
Стандартные образцы и стандартные вещества- специально отформованные тела или пробы веществ определенного или строго регламентированного содержания, одно из свойств которых при определенных условиях является величиной с известным значением( образцы плотности для градуировки гальма-плотномеров, образцы твердости, шероховатости, чистый цинк служит для воспроизведения температуры 419,58 0 С, золото- 1064, 43 0)
Существуют понятия действительное значение меры, номинальное значение меры, погрешность меры(Д.З.М-Н.З.М) и разряды меры (1, 2 и т. д.)
К средствам измерения относятся: измерительные преобразователи, измерительные приборы, вспомогательные средства измерения.
Отсчетные устройства средств измерений.
Результат измерений, осуществленных измерительным прибором, регистрируется отчетным устройством.
Отчетные устройства бывают: шкальные, цифровые и регистрирующие. Наиболее распространены шкальные, состоящие из циферблата с нанесенной на нем шкалой и указателем.(стрелка).
Шкала- совокупность отметок и чисел, наносимых на циферблате отчетного устройства вдоль прямой линии или окружности и изображающих ряд последовательных значений измеряемой величины.
Длина деления шкалы - расстояние между осями или центрами двух соседних отметок шкалы, измеренное вдоль ее базовой линии, т. е. линии, проходящей через середины ее самых коротких отметок.
Цена деления шкалы- то значение измеряемой величины, которое соответствует перемещению подвижного элемента отчетного устройства на одно деление.
Чувствительность прибора - отношение длины деления шкалы к цене деления. При измерении перемещений или длин чувствительность является величиной безразмерной и часто называется передаточным относительно прибора.
Диапазон показаний прибора - разность между значениями измеряемой величины, соответствующими началу и концу шкалы. Та часть диапазона показаний, в которой установлено нормы на погрешности прибора, называются диапазоном измерений.
Пределы измерений - граница диапазона измерений (нижний и верхний пределы измерений). Во многих приборах диапазоны показаний и измерений совпадают. В этом случае начало, и конец шкалы определяют пределы измерения прибора.
Показание измерительного прибора - непосредственный результат осуществленного им измерения, выраженный в виде значения измеряемой величины в данных или некоторых условных единицах измерения.
Показания прибора образуется из отсчета (отвлеченного числа), снятого при измерении, умноженного на цену деления шкалы или с помощью градуировочной кривой.(7,5 *2А=15А).
Обычно шкалы мер и измерительных приборов градуируются непосредственно в единицах измерения исследуемой величины.
СИСТЕМЫ ЕДИНИЦ ИЗМЕРЕНИЙ.
МЕТРОЛОГИЧЕСКАЯ СЛУЖБА РФ.
1. ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИЙ
Сеть государственных метрологических органов и их деятельность, направленная на обеспечение единства и достоверности измерений в стране, называется Государственной метрологической службой РФ. Руководство осуществляется ГОСТ РФ.
В состав Государственной метрологической службы входят научно- исследовательские метрологические институты(ВНИИМС, ВНИИКИ, ВНИИФТРИ)
Органам Государственной метрологической службы предоставлено право контролировать соблюдение министерствами и ведомствами правил законодательной метрологии, запрещать серийное производство средств измерений, не утвержденных Госстандартом типов, изымать из обращения средства измерений, не отвечающие установленным требованиям, контролировать качество изготовления и ремонта средств измерений.
ГОСТ 8000-72
2. Государственные испытания средств измерений.
Государственные испытания- экспертизы технической документации на средства измерения и экспериментальные исследования для определения степени соответствия установленным нормам, потребностям народного хозяйства. Порядок проведения дан в ГОСТ 8.001-71.
Установлены два вида Гос. испытаний:
v приемочные испытания опытных образцов средств измерений новых типов, намеченных к серийному производству или импорту в СССР.
v контрольные испытания образцов из установочной серии и серийно выпускаемых средств измерения.
3. Проверка, ревизия и экспертиза средств измерений.
ГОСТ 8.002-71 ”Организации и порядок проведения поверки ревизии и экспертизы и средств измерений”.
Важнейшей формой надзора за измерительной техникой является государственная (и ведомственная) поверка средств измерений, служащая для установления их метрологической исправности.
Средства поверки подвергаются:
Þ первичной поверке - при выпуске средств измерений в обращение из производства или ремонта,
Þ периодической поверке - при эксплуатации и хранении средств измерений через определенные межповерочные интервалы,
Þ внеочередной поверке,
Þ инспекционной поверке - для выявления метрологической исправности средств измерения.
Обязательной государственной поверке подлежат:
Þ средства измерения, применяемые органами государственной метрологической службы,
Þ образцовые средства измерений, применяемые в качестве исходных в метрологических органах министерств и ведомств; применяемые в метрологических подразделениях приборостроительных и прибороремонтных предприятиях при градуировке и поверке средств измерений, выпускаемых в обращение,
Þ Средств измерений применяемых при учете ценностей, взаимных расчетов в торговле,
Þ Средств измерений, связанных с охраной здоровья и техникой безопасности,
Þ Средств измерений, применяемых при государственных испытаниях новых средств измерений и при государственной аттестации качества продукции,
Þ Средств измерений, результаты которых используются при регистрации официальных спортивных рекордов.
Метрологическая ревизия- проверка состояния средств измерений, выполнение правил их поверки и применения.
Метрологическая экспертиза- решение спорных вопросов по письменному требованию органов суда или прокуратуры и т. д.
4. Государственная служба времени и частоты (ГСВЧ).
5. Государственная службы стандартных справочных данных (ГССД) .
6. Государственная служба стандартных образцов (ГССО).
Геодезические приборы.
При проведении испытаний крупных конструкций (ферм, арок) для измерения их перемещений используют геодезические приборы: нивелир и теодолит. Применение этих приборов оказывается удобным в тех случаях, когда подход наблюдателя к конструкции затруднен или когда отсутствует неподвижная точка, относительно которой производят измерения, и нельзя применить другие приборы.
Нивелир применяется для измерения вертикальных прогибов. В точках измерения деформаций шарнирно подвешивают рейку с делениями, чтобы она всегда сохраняла вертикальное положение. Установка нивелира производится на жесткое основание. При длительных испытаниях необходимо иметь надежный репер, относительно которого следует периодически проверять установку нивелира. Количество наблюдаемых точек можно устанавливать в объеме попадания их шкал в визирную плоскость нивелира.
Теодолит применяется для измерения горизонтальных перемещений (устойчивость узлов сжатого пояса фермы из плоскости конструкции).
Точность измерений определяется качеством приборов и шкал реек. Обычно геодезические рейки (деление 1 см) дают точность ~ 0,2 см.
Рис. 5.1 Прогибомеры.
Прибор для измерения перемещений отдельных точек конструкции называется прогибомером. Обычно их точность 0,01 - 0,1 мм.
Кустарные прогибомеры - при значительных прогибах и отсутствие необходимости в большой точности можно пользоваться двумя рейками (рис. 5.3). Одна из них прикрепляется к исследуемой конструкции, а другая - к неподвижному основанию. Соприкасающиеся поверхности гладко простроганы. После установки реек наносят общую прямую линию. После загружения конструкции рейка опустится на f, это и будет соответствовать прогибу конструкции.
Для более точного измерения прогибов (0,1 - 0,2 мм) можно изготовить кустарный прогибомер. Устройство его приведено на рис. 5.4.
На строганной доске, укрепленной на неподвижном предмете, устанавливается стрелка, которую можно изготовить, например, из кровельного железа. Она свободно вращается вокруг т. О. Стрелка не должна быть слишком короткой, так как при малой длине не достигается требуемое увеличение и точности измерения. Требуемые размеры даны на чертеже в мм. На расстоянии 1/10 длины от т. О делают два отверстия, в которых крепятся две проволоки. Одна соединяет ее с испытуемой конструкцией, другая - с грузом. Между доской и стрелкой помещается миллиметровая бумага.
Точность такого приспособления зависит от тщательности изготовления прибора.
Существуют дистанционные и контактные прогибомеры. Чаще применяют первые.
Прогибомер ПМ-2 (Максимова Н.Н.).
Рис. 5.5 Общий вид прогибомера Н.Н. Максимова ПМ-3
Прибор состоит из металлического корпуса, в котором на подшипниках вращается барабан (2), соединенный с маленьким барабаном (3). Барабан (2) касается роликов (4), соединенных со стрелкой (5). На корпусе помещена шкала (6), по которой отсчитывают прогиб. Связь между прогибомером и конструкцией осуществляется проволокой, верхний конец которой закреплен на конструкции, а к нижнему подвешен груз. Проволока перекинута через барабан (3) и при перемещении узла, к которому она прикреплена, вращает этот барабан и передаточный механизм со стрелкой.
Одно деление по шкале соответствует прогибу 0,1 мм. Полному обороту стрелки соответствует прогиб в 10 мм (0,1 х 100). Число полных оборотов фиксируется на специальном барабане (2), его шкале, которая видна в прорезе.
В прогибомере ПМ-3 вместо фрикционной передачи предусмотрена зубчатая, которая исключает проскальзывание, как это было у предыдущей модели, но обладает некоторым люфтом, обусловленным зазорами между зубьями.
Прибор состоит из металлического корпуса, в передней части которого под стеклом имеются три шкалы: большая шкала показывает прогибы в долях мм; малая левая - в см; малая правая - в мм. Внутри корпуса имеется система шестерен.
Шестерня 5 насажена на ось стрелки, показывающей прогибы в см и соединена с роликом 4. Ролик выступает с тыльной стороны корпуса и на него перематывается проволока, устанавливающая связь между конструкцией и прогибомером. На общую ось насажены также шестерни 6,7, показывающие деформации в мм. Одновременно шестерня 5 находится в зацеплении с малой шестерней 6. Сидящая на одной с ней оси шестерня ведет шестеренку 8, на ось которой насажена стрелка большой шкалы, имеющей 100 делений.
Точность измерения - 0,01 мм, диапазон - 100 мм.
Для устранения холостого хода - люфта, шестерня 5 сделана двойной - одна закреплена наглухо на оси, вторая насажена свободно. Между этими шестернями имеется распорная пружина, которая стремится повернуть шестерни навстречу друг другу, благодаря чему шестерни 5 и 6 постоянно находятся в контакте с люфт исключен.
Прогибомер винтом 1 закреплен к пластине, которая может крепиться к треноге или непосредственно к струбцине.
В металлическом корпусе 1 под стеклом имеется шкала делений, в центре которой имеется стрелка 2. В пределах большой шкалы имеется малая шкала с центральной стрелкой. Через корпус проходит металлический стержень 7, который может перемещаться. На средней части стержня нарезаны канавки, в которые входят зубцы малой шестеренки. На ось этой шестеренки насажена шестеренка большего диаметра 4, связанная с нижележащей маленькой шестеренкой 6, на оси которой насажена большая стрелка 2.
Во избежание люфта в приборе предусмотрена дополнительная шестеренка 8, находящаяся в зацеплении с шестеренкой 6. Спиральная пружина 9 связана с шестерней 8, все время поддерживая стержень 7 в крайнем положении и обеспечивает постоянное зацепление зубьев шестеренок. При нажатии на стержень в противоположном направлении он преодолевает сопротивление пружины и перемещается, приводя в движение все шестеренки и одновременно обе стрелки.
Коэффициент передачи шестеренки подобран так, что передвижению конца стержня на 1 мм соответствует поворот большой стрелки на 360о. Цена деления - 0,01 мм (0,002 и 0,001 мм). Ход штока 10 мм, 2 и 1 мм.
Индикаторы характеризуются сравнительно высокой точностью измерения деформаций (0,01 - 0,001 мм), небольшими габаритными размерами (диаметр корпуса 55 мм) и малой массой 150 г. недостаток - малый ход штока - 10 мм без перестановки.
Прогибомер Емельянова. Прибор имеет точность измерения деформаций 0,01 мм и неограниченный диапазон измерений.
Состоит из корпуса 1 в виде цилиндрической коробки, которая поддерживается стержнем 2, закрепляемым в струбцине. На стержне 2 на двух шарикоподшипниках вращается шкив 3 , наглухо соединенный с шестерней 4. Эта шестерня сцеплена с трубкой 5, сидящей на одной оси с шестерней 6, в свою очередь сцепленной с трубкой 7, на оси которой насажена стрелка 8.
Прибор соединяется с конструкцией аналогично прогибомеру Максимова.
Тензометры.
приборы, измеряющие линейные деформации (укорочение, удлинение) называются тензометрами. Измерение линейных деформаций происходит на определенном участке элемента, который называют базой тензометра. Деление величины полученной деформации на базу прибора дает относительную деформацию, величина которой необходима при расчете напряжений.
Требования к тензометрам:
Þ Конструкция тензометра должна позволять измерять величину базы.
Þ Прибор должен давать увеличение деформаций.
Þ Коэффициент увеличения должен быть таким, что обеспечить необходимую точность измерения деформаций.
Þ Масса и габаритные размеры тензометра должны быть по возможности минимальны.
Þ Центр тяжести прибора должен быть приближен к поверхности испытуемого элемента для большей его устойчивости.
Тензометры бывают: механические, электромеханические, струнные (акустические) и электротензометры - тензорезисторы.
Тензометр Гугенбергера (механический).
Находят широкое применение в практике испытаний конструкций и сооружений.
Состоит из корпуса (8) со шкалой (9) и рычажной системы. На исследуемый элемент он опирается в двух точках: конусом (7), призмой (6). С призмой жестко соединен подвижный рычаг - 4. Конус - 7 наглухо соединен с корпусом, с верхним концом которого шарнирно соединена стрелка - 10. Стрелка при помощи горизонтального рычага - 2 шарнирно соединена с подвижным рычагом - 4. Пружина - 3 служит для устранения холостого хода. 5 - стопорный рычаг. 1 - ползунок.
Тензометром измеряются деформации волокон на участке L между конусом - 7 (неподвижная точка) и призмой - 6 (подвижная точка).
Точность измерения - 0,001 мм.
База тензометра (без удлинителя) равна 20 мм. Число делений на шкале - 50 (50 мкм). Отсчет берется по совмещенному отражению стрелки в зеркальце и стрелки.
Тензометр на испытуемый элемент закрепляют струбциной.
Измеряемая деформация вычисляется так:
где 
- увеличение прибора, равное 1000.
- разность отсчетов по шкале.
m - цена одного деления шкалы.
Удлинители базы 20 - 250 мм.
Тензометр характеризуется сравнительно большой точностью измерения деформаций (0,001 мм), малыми габаритными размерами и массой, возможностью изменения величины базы, сравнительно низким расположением центра тяжести.
Недостатки: требует осторожного обращения, что затрудняет работы в полевых условиях; при измерениях деформаций более 50 мкм стрелку необходимо переставлять; в полевых условиях его следует оберегать от ветра и дождя.
Кроме упомянутого тензометра существует целый ряд тензометров других типов (электромеханический тензометр Аистова, струнные тензометры, индуктивные и проволочные тензометры).
4. Электрические тензометры (тензорезисторы + регистрирующая установка).
Электрические тензометры принадлежат к группе приборов, в которых для измерения деформаций использована зависимость между деформацией и омическим сопротивлением.
Определение деформаций электрическим тензометром можно осуществлять при действии статических и динамических нагрузок.
Электрический тензометр состоит из двух элементов: тензорезистора и регистрирующей аппаратуры. Тензорезистор наклеивается на испытуемую конструкцию и после приложения нагрузки деформируется вместе с ней. Изменяющееся сопротивление его фиксирует регистрирующая аппаратура.
Рассмотрим отдельно принципы конструирования тензорезисторов и применяемую регистрирующую аппаратуру.
А)Тензорезисторы.
Тензорезисторы изготавливают из угля или металлической проволоки. В настоящее время почти во всех случаях изготавливают из проволоки.
Одной из основных характеристик тензорезистора является отношение относительного сопротивления 
к относительной деформации 
, которое называется коэффициентом тензочувствительности и представляет собой безразмерную величину
где R - номинальное омическое сопротивление тензорезистора (ом).
R - приращение сопротивления тензорезистора при изменении длины на 
.
L - рабочая длина (база) тензорезистора.
Изменение омического сопротивления проволоки происходит вследствие изменения ее длины и диаметра при деформировании.
Рабочей частью тензорезисторов является либо одна нитка, либо совокупность нескольких ниток в виде зигзагообразной решетки, к концам которой присоединены выводящие провода из меди диаметром 0,15 - 0,3 мм.
Для изготовления решетки тензорезистора применяется проволока с высоким электрическим сопротивлением - константан (60% меди и 40% никеля) диаметром 2 - 50 мкм.
К проволоке предъявляют следующие требования:
· Наличие линейной зависимости между удлинением и относительным изменением сопротивления в возможно более широкой области.
· Большая величина отношения между относительным изменением сопротивления и относительным удлинением (коэффициент тензочувствительности).
· Отсутствие гистерезиса.
· Высокое удельное сопротивление, позволяющее получить при заданном диаметре проволоки большое сопротивление на единицу длины проволоки и, следовательно, высокую чувствительность тензорезистора.
· Малый термический коэффициент удельного сопротивления.
· Одинаковый с материалом исследуемой детали линейный коэффициент теплового расширения, так как при наличии этой разницы в проволоке возникают температурные напряжения при колебаниях температуры, что приводит к погрешности измерения.
· Малая термоэлектродвижущая сила по отношению к меди, так как при статических измерениях и питании тензометра постоянным током наличие термоэлектродвижущей силы может искажать результаты измерений.
· Хорошая свариваемость и легкость пайки, хорошая обрабатываемость.
· Независимость характеристик проволоки от предварительной обработки для возможности выдерживать узкие допуски при изготовлении тензорезисторов.
Константан обладает почти всеми достоинствами. Также применяется проволока с содержанием 65% Ni, 20% Fe, и 15% Cr. При динамических испытаниях применяют проволоку "изоэластик" (52% Fe, 36% Ni, 8% Cr, 3,5% Mn, Si, Cu, V, 0,5% Mo).
Наивыгоднейший диаметр проволоки - 0,02 мм.
В тензорезисторах из фольги вместо проволоки круглого сечения используется тонкая лента фольги из сплава меди с никелем. Лента может иметь прямоугольное поперечное сечение размером 0,0125 х 0,25 мм. Так как площадь такой ленты на порядок больше площади поперечного сечения круглой проволоки (0,02 мм), то сопротивление тензорезистора из фольги примерно в 10 раз меньше сопротивления проволочного тензорезистора.
Основание тензорезистора служит для механического закрепления проволоки и для электрической изоляции ее от деталей, на которые наклеивается тензорезистор.
Требования к материалу основания тензорезистора:
· Отсутствие гистерезиса.
· Отсутствие ползучести.
· Нечувствительность к действию сырости.
· Стойкость при нагревании.
· Хорошая склеиваемость.
· Гибкость.
· Механическая прочность.
· Хорошие изолирующие свойства.
Всем этим требованиям, кроме п.п. 3 и 4, очень хорошо удовлетворяет бумага. Поэтому в условиях нагрева до 700С можно использовать тензорезисторы с основанием из бумаги толщиной 0,05 мм.
Требованиям п.п. 3 и 4 очень хорошо удовлетворяют пластмассы типа лаков, из которых изготавливают основание тензорезисторов. Тензорезисторы с таким основанием пригодны до температур 1500С, однако требованиям п.п. 5 и 6 они удовлетворяют хуже, чем бумага.
Часто бумагу пропитывают смолой (фенольной - 150-2000С - бакелитовые тензорезисторы). Применяют пленку из эпоксидной смолы толщиной 0,05 мм (1400С).
При очень высоких температурах 78000С проволоку без основания накладывают непосредственно на деталь, закрепляя спеццементом, например, "задерейзен".
Клей назначается для крепления проволоки к основанию и тензорезистора к детали. Требования к клею:
· Отсутствие гистерезиса.
· Отсутствие ползучести.
· Нечувствительность к воздействию сырости.
· Стойкость при нагревании.
· Прочность.
· Малая химическая активность.
Выводные проводники должны обеспечивать надежное присоединение к проволоке тензорезистора и обладать достаточной механической прочностью (0,15 - 0,3 мм).
Проволочный тензорезистор в целом как составная конструкция должен удовлетворять следующим требованиям:
· Размещение большого числа петель проволок на малой площади для измерения деформаций на малой площади (в точке).
· Хороший отвод тепла от проволоки к исследуемой детали для возможности питания тензорезистора током, достаточным для обеспечения высокой чувствительности.
· Тензорезистор должен обладать малой чувствительностью к удлинению в поперечном направлении.
· Обеспечение защиты проволоки от механических повреждений.
· На тензорезисторе должны иметься разметочные линии, указывающие расположение проволоки.
· Тензорезистор не должен требовать длительной подготовки к использованию.
· Должен быть прост в изготовлении.
· Верхняя граница измеряемых частот должна быть достаточно высокой.
В соответствии с различным расположением проволоки на плоском основании различают следующие типы тензорезисторов:
§ С параллельной решеткой (многопроволочные).
§ С плоской катушкой.
§ С одиночной проволокой.
§ Тензорезистор напряжения.
§ Тензорезистор с поперечными перемычками.
Наибольшее распространение получили многопроволочные тензорезисторы (рис. "а"). Они обеспечивают сравнительно малую величину базы при большом значении омического сопротивления.
Омическое сопротивление тензорезисторов при статических испытаниях применяется от 100 до 400 ом.
Коэффициент тензочувствительности в зависимости от материала проволоки равен 1,8 - 2,2.
Основные размеры тензорезисторов в целях унификации размеров нормированы - 5; 10; 20; 30; 50; 75; 100 и 200 мм. При испытании металлических конструкций используют тензорезисторы с базой до 50 мм; бетонных и железобетонных - 50 - 200 мм.
Масса тензорезистора примерно равна 0,01 г.
Некоторые специальные тензорезисторы выпускает МИСИ в основном для научно-исследовательских целей (см. вкладку). Специфика тензорезисторов МИСИ позволяет расширить область их применения и измерять деформации весьма низкомодульных материалов, а также регистрировать упруго-пластические деформации в зонах с высоким градиентом напряжений.
Особое внимание следует уделять технологии наклейки тензорезистора на испытуемую деталь.
Б)Регистрирующая аппаратура.
Для регистрации омического сопротивления тензорезисторов при их питании переменным током (или постоянным) применяются мостовые схемы.
На рисунке 5.6 приведена принципиальная схема электроизмерительной установки, работающей по принципу моста Уитстона.
В одну диагональ ВД моста включен регистрирующий прибор, а в другую АС - источник тока. Тензорезистор, наклеенный на конструкцию, включен в одно из плеч моста (Rа). Во второе плечо включен компенсационный (температурный) тензорезистор Rк; он наклеен на такой же материал, что и Rа, но этот элемент не подвержен нагрузкам.
Rа и Rк устанавливают близко друг от друга. Так как они включены в смежные плечи моста, то нарушение температурного режима, соответствующего изменению деформаций - сопротивления, не вызовет его разбаланса.
Измерение показаний тензорезистора осуществляется:
1. Методом непосредственного измерения.
2. Методом нулевого измерения.
1 метод - применяется при статических и динамических испытаниях. В этом случае изменение омического сопротивления, Rа, вызванное деформацией его решетки, определяется по изменению тока в диагонали моста ВД. Применяется неуравновешенная схема моста.
2 метод - применяется только при статических испытаниях. Изменение омического сопротивления (в ом) Rа определяют по реохорду.
Значения измеряемых деформаций в относительных единицах зависят в основном от материала конструкции и задач испытания, в большинстве случаев они меняются от 1х10-5 до 1х10-1. Для столь чувствительных измерений применяют электронные усилители.
Для регистрации омического сопротивления применяются приборы: с ручной балансировкой ИД-2; ИД-62; ИСД-2; ИСД-3 и др.; автоматические ЭИД-3, ЭИД-3М, АИ-1, АИ-2, АИД-1М, АИД-2М и др.
АИ-1 и АИ-2. Предназначены для измерения деформаций при действии статических нагрузок. Диапазон измерения деформаций равен 1х10-2, цена деления - 1х10-5. При измерении деформаций применяются тензорезисторы сопротивлением не более 400 ом, коэффициент тензочувствительности которых может меняться в пределах 1,8 - 2,25. Один полный оборот стрелки (на 3600) происходит на 1,5 сек. Питание от переменного тока, масса - 9 кг. Имеется переключатель для измерения напряжений одновременно в нескольких точках (поочередное включение).
АИ-2 - измерение статических деформаций 1х10-1 с использованием тензорезисторов сопротивлением 80-250 ом и коэффициентом тензочувствительности 1,8-2,2.
АИД-1М - предназначен для статических испытаний с измерением деформаций в одной или нескольких точках. Для этого имеется коммутирующее устройство.
Измерение деформации электротензометрами имеет следующие достоинства:
1) Малые габаритные размеры.
2) Малая масса тензорезисторов.
3) Стабильность показания тензорезисторов.
4) Возможность установки тензорезисторов в труднодоступных местах и дистанционное взятие отсчета.
5) Сравнительная дешевизна тензорезистора.
Недостатки:
1) Релаксация проволоки и клеевого шва.
2) Однократное использование тензорезистора.
3) Невозможность использования тензорезистора после тарировки.
4) Результаты тарировки небольшого числа тензорезисторов распространяются на всю партию.
Компараторы.
Применяются при длительных статических испытаниях - прибор сравнения.
Измерение деформаций компаратором производится следующим образом: на поверхность исследуемого элемента наносят две риски, на расстоянии (базе) друг от друга 250, 500, 1000 мм.
В комплект компаратора входят стержень, изготовленный из материала с низким коэффициентом линейного температурного расширения, например, сплав Н-36 ("инвар") 
. На нем нанесены две риски. На испытуемом элементе на расстоянии, примерно, равному эталону, наносят два штриха.
Сначала компаратор устанавливают на эталонный стержень и берут отсчет. После этого измеряют расстояние между рисками на конструкции. Устанавливают первоначальную разность 
. Затем конструкцию загружают, находят 
от действия сил. Разность 
и будет искомой деформацией.
Компараторы могут быть: оптические и механические.
Литература: Д.Е. Долидзе "Испытание конструкций и сооружений".
Клинометры.
Приборы для измерения углов поворотов, сечений или отдельных элементов конструкций (балок, ригелей, колонн или конструкций в целом).
Существуют: рычажный клинометр (лаб. ЛИСИ); клинометр Столпани; клинометр Н.Н. Аистова.
Сдвигомеры.
Измеряются деформации сдвига.
Простейшие способы: штангенциркулем (низкая степень точности); индикатором (отсчет до загружения и после).
Специальные приборы: тензометр-сдвигомер Н.Н. Аистова, сдвигомер Штейгера.
Термины.
Градуировка приборов - операция, при которой делениям шкалы прибора присваивается определенное значение, выраженное в измеряемых единицах.
Погрешность абсолютная и относительная.
Поправка - величина, алгебраически добавляемая к показаниям прибора, чтобы получить действительное значение. Она равна погрешности с обратным знаком.
Цена деления - значение измеряемой величины, соответствующее одному делению шкалы.
Введение.
При оценке несущей способности и общего состояния конструкции одним из основных факторов является прочностные показатели материала конструкции.
Классический способ определения механических свойств строительных материалов является испытание до разрушения образцов определенной формы и размера.
В случае проверки прочности бетона существующей конструкции или сооружения это осуществляется извлечением из него образцов: выкалыванием, выпиливанием и высверливанием. При этом нарушается целостность самой конструкции и "естество" вынимаемого образца - нарушается структура, появляются трещинки и т.д. (ГОСТ 10180-67).
Развитие физики и радиоэлектроники позволило разработать и внедрить в исследовательскую практику так называемые неразрушающие методы контроля качества материала. Условно их можно разделить на: физические, механические и комплексные.
Наряду с большими преимуществами (целостность конструкции, многократное испытание, быстрота и определение параметров в любой точке конструкции) этого метода можно отметить его недостатки: результат не получают непосредственно в виде искомого фактора, а в виде косвенного показателя (скорость прохождения ультразвук, диаметр отпечатка …).
Рассмотрим подробнее отдельные виды приборов неразрушающего метода испытаний.
Резонансный метод.
Этот метод основан на возбуждении колебаний в образцах. Колебания переменной частоты изгибные, крутильные, продольные. После снятия показаний строят резонансную кривую (рис. 6.1). Далее по этой кривой определяют динамический модуль упругости 
, модуль сдвига G, логарифмический декремент затухания 
и показатель прочности бетона.
При определении частот собственных колебаний и логарифмического декремента затухания колебаний для железобетонных конструкций, работающих на статические и динамические нагрузки, используют изгибные колебания.
Частоту изгибных колебаний отражают (в гц), определяют по формуле:
f - частота собственных колебаний (гц).
- коэффициент, характеризующий тон колебаний, вид опорного закрепления или для арочных конструкций стрелу подъема.
E*J - приведенная жесткость.
m - погонная масса (кг сек2/см2).
Т - поправочный коэффициент, зависящий от отношения высоты сечения к пролету (h/l) и коэффициента Пуассона:
l - длина элемента (см).
Рис. 6.1 Резонансная кривая
Логарифмический декремент колебаний определяется по ширине резонансного пика на уровне половины максимальной амплитуды по формуле:
f0 - резонансная частота колебаний образца.
f1 и f2 - частоты колебаний, соответствующие амплитудам, равным 0,5аmax до и после резонанса.
Испытуемый образец устанавливается на опоры стенда. Частота собственных колебаний стенда в 12 - 15 раз больше, чем собственная частота элемента. С помощью возбудителя (3) установленного внизу балки посредине в ней возбуждают незатухающие колебания. В том же месте, но с верхней стороны образца установлен приемник с усилителем (4), который соединен с осциллографом.
Резонанс - совпадение частот собственных и вынужденных колебаний. Значение резонансной частоты определяется по шкале генератора колебаний.
Для определения предела прочности бетона резонансным методом применяют приборы типа ИЧМК-2, ИАЗ, УЗ-5, ПИК-8 и т. д.
Прочность бетона оценивается с помощью специальной тарировочной кривой, построенной для бетона испытываемого образца.
Динамический модуль упругости можно выразить через частоту собственных продольных колебаний:
l - длина образца.
- акустическая плотность бетона.
fn - частота собственных колебаний образца.
Коэффициент Пуассона:
К - коэффициент формы сечения образца.
fпр и fкр - частоты собственных колебаний образца при продольных и крутильных колебаниях.
Kцил = 0,5. Кпризма = 0,423.
Ударный метод.
Аналогичен ультразвуковому. Применяется при изделиях большой длины и объема.
Прочесть самостоятельно Долидзе Д.Е. "Испытание конструкций и сооружений".
Радиометрический метод.
Сущность радиометрического метода: пучок гамма-лучей проходит через массу бетона, интенсивность его уменьшается; это уменьшение находится в определенной зависимости от разных показателей бетона и в том числе предела прочности.
Наиболее распространенным источником гамма-излучения является Со60. Активность его равна 15 милликюри и проникающая способность до 80 см бетона.
Скорость распространения гамма-лучей постоянна, не зависит от количества энергии и равна 300000 км/сек (скорость света).
Радиометрическим способом можно контролировать:
- плотность и влажность;
- качество выпускаемой продукции (раковины, скрытые дефекты);
- контроль управления технологическим процессом.
Существует два метода контроля плотности бетонных и железобетонный конструкций:
- метод сквозного просвечивания;
- метод рассеивания луча.
Особое внимание при производстве работ следует обратить на технику безопасности.
Литература.
1. Корчинский И.Л. Испытание сооружений. Государственное издательство "Высшая школа", М., 1961 г.
2. Аистов Н.Н. "Испытание сооружений" Гос. изд-во литературы по строительству, архитектуре и строительным материалам. Л-М., 1960.
3. Красиков В.И. "Испытание строительных конструкций" Гос. изд-во литературы по строительству и архитектуре. М-Л., 1952.
4. Долидзе Д.Е. "Испытание конструкций и сооружений", Высшая школа, М., 1975.
5. Х. Шенк "Теория инженерного эксперимента", Мир, М., 1972.
6. Новые идеи в планировании эксперимента, под редакцией Налимова В.В., Наука, М., 1969.
7. Алабужев П.М., Геронимус В.Б., Минкевич Л.М., Шековцов Б.А. "Теория подобия и размерностей. Моделирование.", Изд-во Высшая школа, М., 1968.
8. Зайдель А.Н. "Элементарные оценки ошибок измерений", Наука, Л., 1967.
9. Степанов М.Н. "Статистическая обработка результатов механических испытаний", Машиностроение, М., 1972.
10. Бурдук Г.Д., Марков Б.Н. "Основы метрологии", Изд-во стандартов, М., 1975.
11. Маликов С.Ф., Тюрин Н.И. "Введение в метрологию", Изд-во стандартов, М., 1966.
12. К. Финк, Х. Рорбах "Измерение напряжений и деформаций", Машгид, М., 1961.
13. А.Б. Ренский, Д.С. Бараков, Р.А. Макаров "Тензометрирование строительных конструкций и материалов", М., Стройиздат, 1977.
14. Методы неразрушающих испытаний. Физические основы, практические применения, перспективы развития. Под ред. Р. Шарпа, М., Мир, 1972.
Акустическая эмиссия. Ультразвуковая спектроскопия. Ультразвуковая голография. Рентгеновское и гамма излучения. Нейтронная голография.
Методы вихревых токов. Разнотехнические СВЧ-методы. Инфракрасное излучение.
15. Э. Поль "Неразрушающие методы испытаний бетона" Изд-во литературы по строительству, М., 1967.
16. Г.И. Горчаков, Э.Г. Мурадов "Основы стандартизации и контроля качества продукции", Стройиздат, М., 1977.
17. И.С. Лифанов, Н.Г. Шерстюков "Метрология, средства и методы контроля качества в строительстве", Стройиздат, М., 1979.
18. Лужин О.В., Злочевский А.Б. и др. «Обследование и испытание сооружений», М., Стройиздат, 1987.
19. Метод фотоупругости. Под ред. Г.Л.Хесина (в 3-х томах). М., Стройиздат, 1975.
20. Алабужев П.М., Геронимус В.Б. и др. Теория подобия и размерностей. Моделирование., М., Высшая школа, 1968.
21. Завалишин С.И., Смирнов С.Б., Морозова Д.В. Фриштер Л.Ю. Исследование напряженного состояния сферической оболочки АЭС. «Энергетическое строительство». 1994, №4. с.66-67.
22. Доркин В.В., Морозова Д.В., Фриштер Л.Ю. Напряженное состояние защитной оболочки реактора с учетом конструктивных неоднородностей. Проблемы аксиоматики в гидро-газодинамики. Издательство «Век книги», М., 2002., №10, с.173-179.
23. Гучкин И.С. Диагностика повреждений и восстановления эксплуатационных качеств конструкций. Изд-во АСВ, 2001.
24. СП 13-102-2003. Правила обследований несущих строительных конструкций зданий и сооружений. М., 2004.
Специальности 270102
«Промышленное и гражданское строительство»
Москва 2008 год
Составители:
Проф., д.т.н. Доркин В.В,
доцент., к.т.н. Морозова Д.В.
Дата: 2019-02-02, просмотров: 575.
