Измерение прогиба в вертикальном положении

1) верхнее расположение прогибомера. Прогибомер специальной струбциной закрепляют на испытываемой конструкции. На одном конце проволоки подвешивают груз, а другой конец закреплен в неподвижной точке. Недостаток – прогибомер установлен на большой высоте от пола, что затрудняет снятие отчетов.

1-испытываемая конструкций; 2- прогибомер; 3 - проволока; 4 – груз для натягивания проволоки (1-2 кг); 5 - устройство для закрепления проволоки; 6 – струбцина

2) нижнее расположение прогибомера прогибомер устанавливают сравнительно низко на специальной тумбе, что упрощает снятие отчетов

1-испытываемая конструкций; 2- прогибомер; 3 - проволока; 4 – груз для натягивания проволоки (1-2 кг); 5 - устройство для закрепления проволоки; 6 – струбцина 7 - тумба

3) установка пргибомера на ж/б элементе для случая нагружения, когда изгиб элемента происходит в горизонтальной плоскости. Для измерения деформаций элемента требуется установка специальных стоек.

1-испытываемая конструкций; 2- прогибомер; 3 - проволока; 4 – груз для натягивания проволоки (1-2 кг); 5 - устройство для закрепления проволоки; 6 – струбцина 7 – специальные стойки

При испытании строительных конструкций их опоры могут оседать. Например, при загружении плиты между этажного ж/б ребристого перекрытия одновременно загружается вспомогательная балка, на которую опирается плита. Балка прогибается. Прогиб, измеренный посередине пролета плиты, включает осадку опор (балку).

Если опоры не оседают, достаточно установить только один прогибомер.

Если при загружении конструкции опоры оседают:

- устанавливают 3 прогибомера

т. 2 – точка, в которой необходимо измерить прогиб - показания прогибомера

Прогиб для любой точки в пределах пролета конструкции

- исключают осадки опор с помощью проволочного шпренгеля

Груз (1) подвешен на проволоке (2) посередине пролета испытываемой конструкции, концы которой закреплены на опорах. Прогибомер (3) устанавливают на конструкции. При загружении балки и при осадке опор вместе с ними в вертикальном направлении перемещается и груз (1). Потом расстояние между линией, соединяющей опоры и точкой подвеса груза остается неизменным, т.е. исключается влияние осадок опор.

Измерение деформаций сдвига (сдвигомер Аистова). На испытываемый элемент прибор опирается в трех точках (a, b, с) и крепится на нем специальной струбциной. Для этого стержень (2) снабжен отверстиями. В точке «а» устанавливается призма, длина опирания которой равна 10 мм. В точке «b» - конус, который закреплен на одном конце станины (8). В точке «с» - качающаяся рама (5).

Если необходимо измерить сдвиг между волокнами (I-I) и (II-II) испытываемого элемента, то на волокно (I-I) помещают призму (а), а на волокно (II-II) – опоры (b и с).

При взаимном сдвиге этих двух волокон опора (а) перемещается на величину в точку или Тангенс угла сдвига Линейное перемещение изменяют так же, как при измерении деформаций тензометром Аистова. Взаимный сдвиг элемента составного сечения где - первый и второй отсчеты прибора.

54 Приборы и методы неразрушающего контроля качества материалов строительных конструкций

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 д.т. (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 ультразвука, 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. Далее по этой кривой определяют динамический модуль упругости , модуль сдвига , 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 определяют по формуле: , где

- частота собственных колебаний (гц); - коэффициент, характеризующий тон колебаний, вид опорного закрепления или для арочных конструкций стрелу подъема; - приведенная жесткость; - погонная масса (кг сек/см²); - поправочный коэффициент, зависящий от отношения высоты сечения к пролету () и коэффициента Пуассона (для ); - длина элемента (см.).

Логарифмический декремент колебаний определяется по ширине резонансного пика на уровне половины максимальной амплитуды по формуле: , где - резонансная частота колебаний образца; и - частоты колебаний соответствующие амплитудам, равным до и после резонанса.

Схема определения частоты собственных изгибных колебаний образца.

Испытуемый образец устанавливается на опоры стенда. Частота собственных колебаний стенда в 12-15 раз больше, чем собственная частота элемента. С помощью возбудителя, установленного внизу балки посредине в ней возбуждают незатухающие колебания. В том же месте, но с верхней стороны образца установлен приемник с усилителем, 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, ИАЗ3, 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: , где - длина образца; - акустическая плотность бетона; - частота собственных колебаний образца.

Коэффициент Пуассона: , где - коэффициент формы сечения образца (, ); и - частоты собственных колебаний образца при продольных и крутильных колебаниях.

Импульсивный ультразвуковой метод. Механические колебания, частота которых превышает 20кгц, называют ультразвуковыми.

В твердых телах могут распространяться продольные, поперечные (сдвиговые) и поверхностные волны.

продольные поперечные поверхностные

1- направление вибрации; 2- направление волн.

Скорости продольных волн примерно вдвое больше скорости поперечных. Скорость поперечных примерно на 10% меньше поперечных. Между скоростью распространения ультразвука (м/сек), длиной волны (м) и частотой (гц) существует зависимость: .

Скорость распространения ультразвука зависит от плотности и упругости среды: , где - акустическая плотность среды, - объемная масса материала.

Эта формула соответствует стержневым телам (призма, цилиндр) с соотношением размеров и ( - длина стержня, - диаметр).

Для типа скорость определяется по формуле: , где - динамический коэффициент Пуассона, определяемый отношением скоростей распространения продольных и поперечных волн: .

В бетонных массивах при , скорость распространения ультразвуковых поперечных волн равна: .

В неоднородных телах при распространении ультразвуковых волн всех видов имеет место отражение, перелом и дифракция законы, которых аналогичны законам оптики.

Для получения ультразвука существует несколько способов, в том числе пьезоэлектрический. Он основан на способности некоторых кристаллов менять размеры под воздействием электрического тока. Такими свойствами обладает кварц, сегнетовая соль, титанат бария и т.д. Это свойство обратимое (т.е. при деформировании таких веществ на них выделяется электрический заряд) и называется пьезоэффектом.

Высокочастотный электронный генератор (1) периодически посылает импульсы в излучатель (датчик 2), в котором находится пьезоэлемент, преобразующий электроимпульсы в ультразвуковые. Пройдя исследуемый бетонный элемент (3), импульсы попадают на приемный щуп (датчик 4), где они преобразуются в электрические импульсы. Пройдя через усилитель (5), сигнал попадает на экран осциллографа (6).

В момент попадания электрического импульса на щуп-излучатель на экране осциллографа появляется зубец (а), зубец (b) появится при поступлении на щуп-приемник ультразвуковой волны после прохождения ею материала. Специальный блок меток электронного времени показывает время прохождения метки. Умножая количество меток между зубцами на цену деления получим время (t) в микросекундах.

Рис. 17. Упрощенная блок схема ультразвукового прибора.

Первый прибор был изготовлен в МГУ в 1947 году. Сейчас имеются несколько приборов: УП-4; УКБ-1; Ш; ДУК-20; Бетон-3М и другие.

Определение прочности бетона ультразвуковым методом производят следующим образом:

1) Выбирается место «прозвучивания». Раковины и трещины заштукатуривают и затирают.

2) Железобетонные конструкции и изделия с большой площадью поверхности прозвучивают в точка, расстояние между которыми 1-2 м.

3) При испытании железобетонных конструкций направление движения ультразвуковой волны не должно совпадать с направлением арматуры.

4) В точках соприкосновения щупов и поверхности бетона покрывают акустической смазкой (машинное масло, жидкое мыло, солидол, технический вазелин). При серийном испытании конструкций контактная смазка должна быть одинаковой.

5) Схема измерения (расположения щупов) зависит от размеров элементов и доступности их поверхностей.

Рис. 18. Сквозное прзвучивание поверхностей элемента.

А) при доступности обоих поверхностей элемента при толщине бетонного массива до 15 см. b) при невозможности установки щупов на одной прямой. c) при доступности одной стороны. d) тоже взаимно перпендикулярных сторон.

Автоматический измеритель деформаций АИД-1М:

1 - рукоятка устройства для балансировки моста на фазе;

2 – шкала;

3 – клемма для заземления прибора;

4 – выключатель сетевого питания;

5 – стрелки

6 – клеммы А, О, К для подключения тензорезисторов;

7 – индикаторная лампа.

Рис. 19. Автоматический измеритель деформаций АИД-1М.

Прочность бетона исследуемой конструкции определяют по тарировочной кривой, которую заранее строят для заданного состава бетона. Тарировочную кривую строят путем параллельных испытаний стандартных кубов 20х20х20 см в количестве 48 штук, производится сопоставления скорости прохождения ультразвука и предела прочности на сжатие на прессе.

Направление прозвучивания должно быть перпендикулярно бетонированию. Для прозвучивания выбирают 4 точки по углам куба и одну в середине. В этих точках измеряют базу прозвучивания (толщину куба). , где и - эмпирические коэффициенты, определяемые по результатам обработки испытаний; - основание натурального логарифма; - плотность материала.

При отсутствии возможности построения тарировочной кривой ориентировочное значение прочности бетона можно определить по формуле: , где - среднее значение предела прочности по данным испытания контрольных кубов; - скорость распространения ультразвука в бетоне конструкции; - средняя скорость распространения ультразвука в контрольных кубах.

Ударный метод. Аналогичен ультразвуковому. Применяется при изделиях большой длины и объема.

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 железобетонных конструкций:

- метод сквозного просвечивания;

- метод рассеяния луча.

На рисунках 21 и 22 представлены лабораторная и полевая установки для контроля плотности конструкций.

1- источник радиоактивности;

2- бетонный элемент;

3- счетчик импульсов (ФЗУ-52, кристалл NaJ);

4- регистрирующий прибор.

5- Особое внимание при производстве работ следует обратить на технику безопасности.

Рис. 21. Сквозное просвечивание.	Рассеянное (ослабленное) излучение.

55 Приборы и методы динамических испытаний строительных конструкций

Основные виды динамических нагрузок. Динамическими нагрузками считают нагрузки, у которых меняется либо величина, либо точка приложения.

Вибрационная нагрузка, переменная по величине и действующая в определенной точке.

Ударные нагрузки (при падении тяжелых тел, при работе копра, мощных молотов).

Подвижная вибродинамическая нагрузка (комбинация вышеприведенных двух видов динамических нагрузок и одновременно изменяющих точку приложения.

Испытание сооружений и конструкций вибрационной нагрузкой дает возможность выявить их фактическую работу в реальных эксплуатационных условиях. Но вибрационная нагрузка не всегда создает все динамические характеристики, поэтому приходится проводить добавочные ударные испытания, при которых записывают виброграммы затухающих колебаний. По ним определяют: частоту и период колебаний; коэффициент затухания колебаний; приведенную массу испытываемого объекта.

Для выявления наихудшего сочетания нагрузок сначала испытывают конструкцию и сооружение под действием одной нагрузки. Затем постепенно увеличивают их число и одновременно изменяют скорости нагружающих механизмов (в пределах рабочего диапазона). Например, при испытании подкрановых балок должны быть учтены сочетания действующих нагрузок: вертикальная нагрузка – вес крана и поднимаемого груза; поперечное торможение или действие вертикальных нагрузок плюс нагрузка от продольного торможения крана.

Создание ударных нагрузок: с помощью падения тяжелого груза; подвешенной снизу груз мгновенно снимают и конструкция начинает колебаться; для создания горизонтальной динамической нагрузки применяют: таран, подвешенный на тросе к неподвижной конструкции.

Вибрационные нагрузки создают виброустановками. В результате динамических испытаний в конструкциях возникают колебания свободные (собственные) и вынужденные.

Свободные колебания – такие колебания, которые совершает конструкция или ее элемент после того, как она будет выведена из состояния равновесия и предоставлена сама себе.

Процесс колебательного движения конструкции записывают специальными приборами – динамическими прогибомерами, осциллографами. Эта запись называется виброграммой (осциллограммой).

Вынужденные колебания – результат действия динамической нагрузки.

Простые колебания (одного тона) – с постоянной амплитудой

Сложная виброграмма при действии динамических нагрузок Если частота возбуждающей силы совпадает с чистотой собственных колебаний конструкции, то наступает резонанс, который сопровождается резким увеличением амплитуды колебаний

Виброграмма свободного затухания	- последующие амплитуды; - период колебаний; - частота колебаний
Виброграмма резонанса

Для изучения колебательного процесса конструкции требуется регистрация и измерение следующих основных параметров: частоты, амплитуды, скорости и ускорения.

Приборы для регистрации колебательного процесса делятся на две группы: основные и вспомогательные.

Основные приборы: вибрографы – приборы, измеряющие и записывающие линейные перемещения колеблющегося элемента; сейсмографы – для записи колебаний грунта от землетрясений или взрыва

Вспомогательные приборы: амплидудомеры (индикаторы, маятники), частотомеры, вибрографы (динамический прибомер Гейгера, виброграф Гейгера, ручной виброграф ВР-1), осциллографы.

56 Классификация пространственных конструкций. Классификация инженерных сооружений. Преимущества и недостатки пространственных конструкций по сравнению с плоскими конструкциями

При строительстве гражданских и промышленных зданий в последние десятилетия широко применяются ж/б тонкостенные пространственные покрытия. Они имеют ряд преимуществ по сравнению с покрытиями из плоских конструкций.

1) благодаря пространственной работе под нагрузкой ими можно перекрывать здания с сеткой колонн 36х36 м и более. Покрытие из плоскостных конструкций даже при сетке колонн 24х12 м нерациональны из-за большой высоты, массы, стоимости;

2) сочетают в себе сразу две функции ограждающую и несущую.

3) Из-за того, что оболочка может быть запроектирована по безмоментной теории расчета толщина оболочки получается очень маленькой, следовательно небольшой расход материала и снижение стоимости конструкций

4) На изготовление пространственных покрытий расходуется на 25-40% меньше материалов;

5) Меньше собственная масса покрытия;

6) Сочетание несущих и ограждающих функций;

7) Архитектурная выразительность, возможность создания криволинейных архитектурных форм.

Основным недостатком является трудоемкость возведения.

Пространственные покрытия представляют системы, образуемые из тонкостенных оболочек и контурных конструкций. Оболочкам придают очертания криволинейных поверхностей или многогранников.

Тонкостенные пространственные покрытия применяют и использованием в них: цилиндрических оболочек и призматических складок; оболочек вращения с вертикальной осью; оболочек двоякой положительной и отрицательной гауссовой кривизны, преимущественно прямоугольных в плане; составных оболочек, образованных из нескольких элементов, по форме пересекающихся криволинейных поверхностей.

Особое место занимают волнистые своды, т.е. многоволновые или многоскладчатые покрытия в виде вводов с малыми размерами волны по сравнению с длиной пролета, а также висячие покрытия (на вантах), весьма разнообразные по форме в пространстве и в плане.

В практике находят применение многие другие разновидности тонкостенных пространственных покрытий.

Тонкостенные пространственные покрытия особенно целесообразны при строительстве производственных и гражданских зданий в условиях, когда требуется перекрывать помещения больших размеров без промежуточных опор.

В пространственных покрытиях благодаря работе конструкции в обоих направлениях в плане достигаются лучшее использование материалов, его существенная экономия, значительное уменьшение собственного веса в сравнении с покрытиями из плоских элементов.

Поверхности двоякой кривизны могут быть образованы способом вращения некоторой плоской кривой вокруг оси, находящейся вместе с ней в одной плоскости, или способом переноса, т.е. поступательным перемещением плоской образующей по параллельным направляющим. Поверхность двоякой кривизны может быть получена также перемещением плоской кривой по двум непараллельным непересекающимся направляющим.

Для покрытий чаще всего применяют пологие оболочки с подъемом поверхности не более доли любого размера основания.

Криволинейная поверхность положительной гауссовой кривизны характеризуется тем, что центры кривизн дуг всех нормальных сечений, проведенных через каждую точку, лежат по одну сторону поверхности. Если эти центры расположены с обеих сторон, то такая поверхность называется поверхностью отрицательной гауссовой кривизны.

В состав промышленного, гражданского и сельскохозяйственного строительства обычно включают специальные инженерные сооружения, предназначенные для установки технологического оборудования, для хранения и транспортировки различных видов сырья и воды, промышленной продукции и отходов производства, для снабжения объектов электроэнергией, для обеспечения движения транспорта.

Инженерные сооружения классифицируются:

- оболочки – трубопроводы, тоннели, резервуары, газгольдеры, каналы;

- башенного типа – радио и теле башни, дымовые трубы, водонапорные башни, градирни, парашютные вышки;

- бункеры;

- силосы;

- мосты;

- гидротехнические сооружения – плотины, шлюзы.

Резервуары классифицируются по виду хранимого продукта (для нефти и нефтепродуктов, воды, продуктов химической продукции), по форме в плане (круглые, прямоугольные), по вертикальной привязке их днища к уровню площадки застройки (подземные, полузаглубленные и наземные), по конструктивным особенностям (из сборного, монолитного, сборно-монолитного ж/б или металла), по длительности хранения продукта.

Назначение водонапорных башен – регулировать напор воды водонапорной сети при отсутствии насосных станций, обеспечивать водопотребление, предохранять систему от гидравлических ударов. Главная составная часть каждой башни ж/б или металлической резервуар, кроме того опора (ствол) и фундамент.

К бункерам относятся емкостные сооружения для хранения сухих сыпучи материалов. В конструктивном отношении бункера представляют собой пространственные конструкции прямоугольной или квадратной в плане.

Внизу призматического бункера находится воронка пирамидальной формы, а внизу цилиндрического – воронка конической формы.

Силосами называют саморазгружающие емкости для хранения сыпучих материалов. По форме силосы могут быть цилиндрическими или призматическими с четырьмя, шестью и восьмью гранями.

Подпорные стены служат для удержания в требуемом положении грунта или других сыпучих материалов при отсутствии естественных откосов. Ими ограждают отдельные заглубленные или приподнятые участки емкостных сооружений.

Подпорные стены разделяют на две основные группы: массивные и облегченные (тонкие). Массивные стены возводят из бетона, бутобетона или каменной кладки. Устойчивость массивных стен обеспечивается большой собственной массой. Устойчивость облегченных стен против опрокидывания обеспечивается их формой.

Каналами называют непроходные или полупроходные сооружения с высотой в свету до 1,5 м, предназначенные для прокладки наружных и внутренних инженерных сетей. Каналы могут быть одно-, двух- и многосекционными. Тоннели устраивают проходными с внутренней высотой не менее 1,8 м. их используют в пешеходных целях и для транспортировки грузов.

Каналы незначительной протяженности выполняют из монолитного бетона или кирпичной кладки, а большей протяженности – из унифицированных сборных ж/б лотков номинальной длиной 3 м, шириной 0,3-2,4 м и высотой 0,3-1,5 м и плит покрытия и днища.

57 Стержневые пространственные конструкции (структуры). Определение усилий в элементах. Решение узловых соединений в металлических и стеклопластиковых структурах