Нагрузка и ее разновидности при статических испытаниях

Испытательной называется нагрузка, прикладываемая к конструкции в процессе испытаний. В состав испытательной нагрузки входит собственный вес изделия, вес используемых загрузочных приспособлений и дополнительная переменная нагрузка, передаваемая через эти приспособления или создаваемая ими.

В процессе установки загрузочных устройств, при подготовке к испытанию проконтролировать нагрузку и поведение конструкции сложно, практически невозможно, поэтому основную часть должна составлять дополнительная переменная испытательная нагрузка, которая называется контролируемой. Эту нагрузку прикладывают порциями – ступенями по заранее составленной программе. Величина ее изменяется от нулевого значения до предельной разрушающей и контролируется в ходе испытаний с помощью различных технических средств.

Для создания нагрузок при испытаниях используют:

- штучные грузы;

- сыпучие материалы;

- емкости, наполненные водой;

- пневматические подушки;

- гидравлические и винтовые домкраты;

- лебедки, тали, полиспасты.

В настоящее время для загружения конструкций в качестве грузовых механизмов, как было отмечено ранее, используют домкраты, лебедки и тали. Чаще всего применяют, например, гидравлические домкраты ДГ - 200, ДГ - 100, ДГ – 50. Одной из основных частей гидравлического домкрата является насос, который включают в общий блок или устанавливают отдельно от него в виде насосной станции. В этом случае управление домкратом выполняют дистанционно, что более удобно и безопасно.

Чтобы результаты испытаний были достаточно точными, желательно применять домкраты грузоподъемностью, не превышающей более чем в 2-3 раза ожидаемую разрушающую нагрузку. При излишне большой грузоподъемности домкратов разрушающая нагрузка достигается при малом использовании из мощности, когда показания манометров находятся в зоне менее стабильных и точных показаний. Кроме того, такие домкраты могут не обеспечить получение небольших ступеней нагружения при подходе к нагрузке, вызывающей появление трещин.

При больших прогибах конструкций к моменту разрушения может возникнуть необходимость перестановки домкратов, из-за того, что поршень подойдет к своему крайнему положению. В этом случае дальнейший его выход из цилиндра должен быть прекращен. Перестановка домкрата затягивает процесс испытания, повышает его трудоемкость, поэтому рекомендуется выбирать домкраты с достаточным ходом поршня, который обеспечит возможность разрушения испытываемой конструкции раньше, чем поршень приблизится на 50-70 мм к выходу из цилиндра. При меньшем значении этой величины возможен перекос оси поршня относительно оси цилиндра, что вызовет появление сил трения, не возникающих при тарировке. Последняя должна быть выполнена в комплексе со всей гидросистемой (насосной станцией, манометрами и др.) до применения в испытаниях.

При статических испытаниях нагрузку имитируют также штучными и специальными грузами, сыпучими материалами, емкостями, наполненными водой и др. Возможно использование гирь, металлических отливок, поковок, бетонных и железобетонных блоков, а при наличии непротекаемых емкостей – воды. Предварительно все крупные грузы взвешивают и маркируют. Длина штучных грузов не должна превышать 1/6 пролета испытуемой конструкции, зазоры между грузами по высоте должны быть не менее 50 мм. Загружать конструкцию штучными грузами следует от опор к середине пролета, соблюдая симметричность их расположения. Погрешность нагрузки, принятой в испытаниях, должна быть не более 5 % от контрольной.

В качестве сыпучих материалов используют песок, гравий, щебень, керамзит, руду, которые загружаются в ящики без дна (установленные на конструкции). Вдоль пролета балочных конструкций размещают не менее двух ящиков, а вдоль пролетов конструкций, работающих в двух направлениях, - не менее четырех. Зазоры между ящиками должны составлять не менее 0,1 пролета конструкции и не менее 250 мм. При полевых испытаниях применять гигроскопические материалы не рекомендуется. Для снижения трудоемкости испытаний и уменьшения необходимого количества штучных грузов используют рычажные устройства и приспособления с соотношением плеч рычага от 1:2 до 1:10. Во избежание появления горизонтальной составляющей приложенной нагрузки после каждого этапа загружения конструкции рычаг приводят в горизонтальное положение.

При испытании строительных конструкций нагрузки на них располагают по такой схеме, которой будет соответствовать максимальное значение силовых факторов для наиболее ответственных элементов сооружения (конструкций). Схема распределения испытательной нагрузки зависит в основном от статической схемы конструкции. При испытаниях разрезных балочных плит нагрузку прикладывают в направлении поперек пролета, а ширину загружаемой полосы принимают равной 1,5L в каждую сторону от расчетного сечения. Перед проведением эксперимента необходимо установить величину испытательной нагрузки и область конструкции, к которой она прикладывается. По величине испытательная нагрузка должна быть эквивалентна проектной нагрузке по внутренним усилиям или перемещениям расчетных сечений. В соответствии с методикой расчета по предельным состояниям, выбирая величину испытательной нагрузки, следует ориентироваться на проектные значения расчетной или нормативной нагрузки в зависимости от задач испытаний.

Испытание сосредоточенными нагрузками позволяет существенно сократить время эксперимента, уменьшить величину общей нагрузки, а следовательно, снизить трудоемкость, обеспечить наилучший контроль за величиной нагрузки и исследуемыми параметрами. Если при испытании балочной плиты заменить равномерно распределенную проектную нагрузку полосовой (т.е. сосредоточенной в расчетной схеме), можно снизить в два раза значение нагрузки в целом при эквивалентности по максимальному изгибающему моменту.

На практике все нагрузки при статических испытаниях можно условно разделить на распределенные и сосредоточенные.

Равномерно распределенную нагрузку можно реализовать на практике, на основе применения:

- сыпучих материалов;

- мелко- и крупноштучных грузов;

- системы загружения водой, воздухом.

Сосредоточенную нагрузку можно обеспечить в полевых и лабораторных условиях на основе:

- подвешивания грузов;

- системы распределительных устройств;

- системы натяжных устройств;

- гидравлических и винтовых домкратов.

При этом, в зависимости от задач испытаний и вида конструкции, испытательная нагрузка по величине может быть:

1. Частью нормативной нагрузки (при уточнении расчетной модели несущего элемента).

2. Полной временной нагрузкой в одном из сочетаний (испытания конструкций I и II категорий трещиностойкости для проверки условий их наступления).

3. Суммой нормативной временной нагрузки и веса недостающих частей здания (испытания в период возведения здания).

4. Расчетной временной нагрузкой (приемочные испытания уникальных конструкций).

5. Больше расчетной (приемочные испытания с нагрузкой, больше проектной).

6. Разрушающей (заводские испытания серийно выпускаемой продукции).

Подвешивание грузов является самым простым, но и наиболее громоздким способом создания сосредоточенных нагрузок. Преимуществом его по сравнению с другими рассматриваемыми ниже способами является то, что при подвеске грузов действующее усилие не меняется при деформациях испытываемых элементов. Для подвески грузов к нижним концам вертикальных тяг (чаще всего остальных тросов) крепятся или горизонтальные площадки, или загрузочные ящики.

Замена подвешенных грузов натяжными приспособлениями создает следующие преимущества:

- отпадают трудоемкие работы по взвешиванию и перемещению грузов;

- направление действующих усилий может быть не только вертикальным, но и горизонтальным и наклонным;

- прикладываемые усилия легко регулируются;

- требуемые устройства компактны, и работа с ними даже в наиболее стесненных условиях не вызывает затруднений.

Натяжные устройства не обеспечивают, однако, строгого постоянства (во времени) приложенных усилий. При длительной выдержке нагрузки развитие пластических деформаций, как в испытываемом объекте, так и в самих натяжных устройствах (главным образом в их соединениях) сопровождается некоторым падением созданного натяжения, что требует периодических подтяжек. На действующие усилия влияют также и колебания температуры, обусловливающие небольшие изменения длины передающих усилия тяг. Для определения и контроля значений приложенных сил в «цепь» натяжного устройства должен быть включен динамометр или заменяющий его динамометрический элемент (например, стержень с наклеенными на нем тензорезисторами). Для передачи усилий используют обычно тросы, натягиваемые талями с полиспастами, лебедками или домкратами.

Основным требованием, предъявляемым к внешним воздействиям при статических испытаниях, является их стабильность во времени и возможность надежного контроля их значений.

В лабораторных условиях при испытании моделей и образцов материалов применяется:

1. Стандартное прессовое оборудование.

2. Испытательные машины:

- машины с жестким нагружением, где задается режим деформирования;

- машины с мягким нагружением, где задается закон изменения силовой нагрузки (этот тип машин является предпочтительным).

При статических испытаниях нагрузка должна прикладываться к объекту постепенно, без рывков и ударов, с тем, чтобы влиянием сил инерции можно было бы пренебречь.

Нагрузки и нагрузочные устройства должны удовлетворять следующим основным требованиям:

- давать возможность четкого определения усилий в испытуемом объекте;

- быть по возможности транспортабельными и не требовать значительной затраты времени для их приложения и снятия;

- при испытаниях с длительной выдержкой должна быть обеспечена стабильность нагрузок, т.е. ее постоянство во времени.

Схема загружения конструкции должна обеспечить возникновение в исследуемых элементах необходимых напряжений и деформаций. Однако при этом следует учитывать реальные возможности и планируемую стоимость испытаний. Стоимость трудоемкости и продолжительность испытаний могут быть существенно уменьшены при расположении нагрузки собственно на сооружении.