Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ СТРОИТЕЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ ПРИ СВЕРХНОРМАТИВНОМ УДАРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при испытании элементов или конструкций зданий и сооружений с численной оценкой их напряженно-деформированного состояния при воздействии сверхнормативных кратковременных динамических нагрузок по величине усредненной энергии деформирования, а также для получения показателей, используемых при анализе данных, полученных вследствие мониторинга зданий и сооружений при опасных природных и техногенных воздействиях.

Известен способ испытания и определения степени живучести строительных конструкций (патент RU 2477459, МПК C1 G01M 7/08 (2006.01), опубл. 10.03.2013), согласно которому сначала резонансным методом определяют низшую собственную частоту колебаний конструкции, затем, не меняя положения испытуемой конструкции, конструкцию подвергают сверхнормативному ударному воздействию, полученные данные обрабатывают с помощью измерительно-вычислительного комплекса и фильтруют высшие гармоники собственных колебаний, соответствующие гармоникам в момент разрушения конструкции, от низшей гармоники, частота которой соответствует измеренной низшей собственной частоте колебаний конструкции, и по полученным данным судят о реальных значениях динамических параметров. После динамического нагружения испытуемую конструкцию дополнительно подвергают пошаговому статическому нагружению до полного ее разрушения и определяют величину остаточной несущей способности q_s конструкции по разности значения максимальной динамической нагрузки q_d в момент разрушения конструкции и значения приложенной максимальной статической нагрузки. Дополнительно, например, с помощью лазерной рулетки производят измерения длин строительной конструкции до и после каждого вида нагружения и определяют величины относительных деформаций. Учитывая величины относительных деформаций после динамического и статического нагружения конструкции и величины остаточной несущей способности после испытания и максимальной динамической нагрузки в момент разрушения конструкции, определяют коэффициент степени живучести конструкции.

Достоинством способа является возможность точного измерения динамической нагрузки в момент разрушения строительной конструкции, остаточного ресурса и деформаций строительной конструкции в процессе испытания, оценка степени живучести с учетом динамического и последующего статического разрушения. Однако, этот способ не позволяет оценить влияние динамической нагрузки во времени.

В последние годы все чаще возникает необходимость проектирования железобетонных конструкций, на которые возможно воздействие интенсивных кратковременных динамических сверхнормативных нагрузок. Опасность действия на сооружения ударных волн возрастает вследствие возможных взрывов обычных взрывчатых веществ при их хранении, аварийном падении грузов, террористических актов, природных и техногенных катастроф и т.д. Возникающие при этом специфические нагрузки часто вызывают значительные повреждения конструкций, и даже их полное или частичное разрушение, которое может привести к травмам и гибели людей, а также порче дорогостоящего оборудования и, следовательно, значительным материальным затратам.

Из литературных источников (например, Попов Н.Н., Расторгуев Б.С. Динамический расчет железобетонных конструкций М., Стройиздат, 1974, 207 с.) известно, что при кратковременном динамическом нагружении прочность строительных конструкций выше, чем при статическом нагружении, что объясняется изменением физико-механических характеристик бетона и арматуры по сравнению со статическим состоянием. При кратковременном динамическом нагружении происходит неравномерное развитие и определенное запаздывание деформаций по сравнению с результатами статических испытаний.

В связи с этим, при проектировании и расчете несущих железобетонных конструкций важен учет и определение различных динамических параметров во времени, в том числе энергоемкости строительных конструкций.

Прототипом заявляемого изобретения является способ испытания строительной конструкции при сверхнормативном ударном воздействии (патент RU 2645039, МПК G01M 7/08 (2006.01), опубл. 15.02.2018), согласно которому определяют значение максимальной динамической нагрузки в момент разрушения строительной конструкции при ударном воздействии, процесс динамического нагружения регистрируют компьютерной измерительной системой и полученные данные обрабатывают с помощью измерительно-вычислительного комплекса. Фиксируют начало и окончание ударного воздействия, измеряя с помощью силоизмерителя мгновенные значения кратковременной динамической нагрузки в указанном интервале времени, при этом дополнительно в этом же интервале времени определяют мгновенные значения опорных реакций с помощью датчиков опорных реакций, установленных симметрично с двух сторон испытываемого образца. Затем строят графики зависимостей относительной кратковременной динамической нагрузки и относительной суммарной опорной реакции от времени ударного воздействия, а также график зависимости коэффициентов результирующей силы k(t) от времени ударного воздействия. Мгновенные k(t) и усредненное k значения коэффициентов результирующей силы в строительной конструкции при ударном разрушении определяют по формулам, исходя из мгновенных значений кратковременной динамической нагрузки, опорных реакций и максимального значения динамической нагрузки. По коэффициентам результирующей силы и построенным графикам судят о процессе изменения напряженно деформированного состояния строительной конструкции в интервале действия сверхнормативной ударной нагрузки, а также доле тепловых потерь в затраченной энергии на разрушение конструкции

Достоинством способа является точность и достоверность получения значения коэффициента результирующей силы в строительной конструкции для заданного значения сверхнормативной ударной испытательной нагрузки. Мгновенные и усредненные значения коэффициентов результирующей силы можно использовать как общеприменимые параметры при сопоставительном анализе реакций строительных конструкций на сверхнормативное динамическое воздействие при различных параметрах нагрузки и конструкции образцов. Однако данный способ не учитывает распределение энергии во времени при испытании строительных конструкции при сверхнормативном ударном воздействии.

Применение известных способов испытания не позволяет учесть распределение энергии во времени при испытании строительных конструкций при сверхнормативном динамическом нагружении и сопоставить теоретические данные с результатами экспериментальных исследований.

Техническая проблема, решаемая изобретением, направлена на то, чтобы определить, как распределяется энергия во времени при испытании строительных конструкций при сверхнормативном ударном воздействии.

Технический результат при реализации изобретения заключается в определении усредненной энергии деформирования конструкции при сверхнормативном ударном воздействии.

Технический результат, посредствам которого решается поставленная задача достигается как и по способу, принятому за прототип, согласно которому испытуемую конструкцию подвергают сверхнормативному ударному воздействию через распределительную траверсу, уложенную на конструкцию в продольном направлении, фиксируют начало и окончание ударного воздействия, измеряя с помощью силоизмерителя мгновенные значения кратковременной динамической нагрузки в указанном интервале времени, одновременно в этом же интервале времени с помощью соответствующих датчиков фиксируют их мгновенные значения по длине конструкции, процесс динамического нагружения регистрируют компьютерной измерительной системой и полученные данные обрабатывают с помощью измерительно-вычислительного комплекса, после чего оценивают напряженно-деформированное состояние строительной конструкции.

В отличие от прототипа, в интервале сверхнормативного ударного воздействия с помощью акселерометров и датчиков перемещений измеряют мгновенные значения ускорений и перемещений строительной конструкции по длине, в зафиксированном интервале времени сверхнормативного ударного воздействия определяют силы инерции F_I(t) по формуле:

где F_I(t) - сила инерции;

m_i - масса участка конструкции, соответствующая расположению акселерометра;

n - количество акселерометров;

a_i(i) - ускорения конструкции зафиксированные акселерометром в соответствующей точке ее расположения;

t₁, t₂ - начало и окончание ударного воздействия.

После чего определяют величину силы ударно-волнового нагружения, направленной на деформирование конструкции по формуле:

где F_deƒ(t) - сила направленная на деформирование конструкции;

q_s(t) - мгновенное значения кратковременной динамической нагрузки при сверхнормативном ударном воздействии по показаниям силоизмерителя,

F_I(t) - сила инерции.

А напряженно-деформированное состояние конструкции оценивают по усредненной энергии деформирования на интервале действия ударной нагрузки, которую переделяют по формуле

где E_med(t) - усредненная энергия деформирования конструкции;

F_deƒ(t) - сила направленная на деформирование конструкции;

f_med(t) - средняя величина перемещения конструкции во времени.

Для оценки напряженно-деформированного состояния конструкции дополнительно производится построение диаграмм, отражающих зависимость мгновенных значений кратковременной динамической нагрузки q_s(t), силы инерции F_I(t), силы, направленной на деформирование конструкции F_deƒ(t) и усредненной энергии деформирования E_med(t) от времени.

Указанная совокупность технических признаков, характеризующая заявленный способ, получена впервые и в известных технических решениях не обнаружена, что подтверждает новизну изобретения. Изобретение соответствует условию изобретательского уровня, поскольку явным образом предложенное техническое решение не следует из уровня техники. Не выявлены из уровня техники решения, которые имеют признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного способа.

Изобретение промышленно применимо, поскольку его можно многократно и воспроизводимо использовать при испытании строительных элементов или конструкций зданий, сооружений при сверхнормативных кратковременных динамических ударных нагрузках, а также при анализе данных полученных вследствие мониторинга зданий и сооружений при опасных природных и техногенных воздействиях.

На фиг. 1 изображен стенд для испытания железобетонных балок при динамическом нагружении (фотография).

На фиг. 2 изображена схема расстановки измерительных приборов при испытании железобетонных балок.

На фиг. 3, 4, 5 изображены соответственно: силоизмеритель для определения значения кратковременной динамической нагрузки(3); датчик перемещения (4); акселерометр (5)(фотографии).

На фиг. 6, 7 показаны измерительно-вычислительные комплексы MIC-036R, MIC-300M соответственно (фотографии).

На фиг. 8 изображена схема разграничения масс образца с учетом расстановки акселерометров по длине.

На фиг. 9 изображены диаграммы зависимости входного силового воздействия q_s(t) для железобетонной балки (диаграмма под цифрой 1); и распределения сил инерции F_I(t) системы (диаграмма под цифрой 2); диаграмма развития усилий связанных с деформированием образца F_deƒ(t) (диаграмма под цифрой 3).

На фиг. 10 изображена: диаграмма усредненной энергии деформирования E_med (t) во времени для железобетонной балки

Стенд для испытания строительной конструкции 1 (железобетонной балки) включает копровую установку, установленную на силовом полу 2. На направляющих 3 копровой установки закреплен груз. Для измерения входных мгновенных значений кратковременной динамической нагрузки служит силоизмеритель 4, установленный на распределительной траверсе 5. Траверса 5 уложена в продольном направлении на испытываемую конструкцию 1 (фиг. 1). По длине балки размещены акселерометры 6 и датчики перемещений 7 (фиг. 2).

Способ выполняют следующим образом.

Экспериментальный образец строительной конструкции 1, испытывается при помощи копровой установки, установленной на силовом полу 2. Создающий сверхнормативную кратковременную динамическую нагрузку груз падает на силоизмеритель 4, который в свою очередь установлен на распределительной траверсе 5. Процесс динамического нагружения в процессе испытания регистрируется компьютерными измерительными системами.

В дальнейшем производится обработка полученных данных и строятся графики зависимости входного силового воздействия q_s(t), перемещений f(t) и ускорений a_i(t), затем строят графики зависимостей сил инерции и определяют величину ударно-волнового нагружения направленного на деформирование образца далее выполняется расчет усредненной энергии деформирования на интервале действия нагрузки

Далее способ показан на конкретном примере испытания изгибаемой железобетонной балки на кратковременное динамическое воздействие.

На железобетонной балке 1 по ее длине (фиг. 2) размещается комплекс измерительных датчиков:

- для определения мгновенных значений кратковременной динамической нагрузки - датчик силоизмерительный тензоризистивный ДСТ 4126 (фиг. 3);

- для определения перемещений - индуктивные датчики перемещения Waycon серии RL150 (фиг. 4);

- для измерения ускорений - акселерометры (DHE 100023) (фиг. 5).

Для регистрации показаний датчиков в процессе экспериментального исследования использовалась сертифицированная измерительная система MIC-036R и MIC-300M (фиг. 6, 7), все датчики были подключены к ним через специальные, имеющие защиту от помех, провода, что обеспечивало необходимую точность при синхронизации данных со всех датчиков во времени.

Высота падения груза составляла 0,75 м, масса груза 450 кг.

Акселерометры располагали по длине конструкции с шагом 300 мм (фиг. 8).

После проведения эксперимента, зарегистрированные данные со всех измерительных датчиков преобразовывались в формат Microsoft Excel, где производилась дальнейшая их обработка. Таким образом были получены результаты вычислений в виде диаграммы: изменение входного силового воздействия во времени, изменение перемещений и ускорений во времени.

Для построения развития сил инерции во времени суммируют показания акселерометров умноженные на массу соответствующего участка (фиг. 8):

где, F_I(t) - сила инерции; m_i - масса участка конструкции соответствующей расположению акселерометров; n - количество акселерометров; a_i(t) - ускорения конструкции зафиксированные измерительными приборами (акселерометрами) в соответствующей точке ее расположения в интервале времени t₁…t₂.

В результате можно вычислить по формуле (1) величину силы инерции балки на всем интервале действия нагрузки. По формуле (2) можно разграничить стадии деформирования конструкции на временном отрезке силового воздействия, а также количественно оценить величину ударно-волнового нагружения направленного на деформирование образца:

Для получения усредненной энергии деформирования на интервале действия нагрузки надо умножить F_deƒ(t) на усредненные перемещения конструкции по длине элемента:

где, E_med(t) - усредненная энергия деформирования на интервале действия нагрузки; F_deƒ(t) - сила, затраченная на деформирование образца; ƒ_med(t) - усредненные перемещения образца по длине на интервале действия сверхнормативного силового воздействия (среднее значение перемещений во времени по длине образца). Более наглядно результаты вычислений можно представить в виде диаграмм.

Таким образом, в результате проведенных испытаний и вычисленным значениям по формула (1, 2, 3) получены следующие диаграммы:

- построена диаграмма изменения сил инерции во времени F_I(t);

- построена диаграмма изменения сил приходящихся на деформирование балки во времени F_deƒ(t);

- построена диаграмма усредненной энергии деформирования на интервале действия нагрузки E_med(t).

В результате вычитания соответствующих значений диаграммы 1 входного силового воздействия для образца фиг. 9, из диаграммы 2 на фиг. 9, вычисленным по формуле (1), получена диаграмма 3, характеризующая развитие сил связанных с деформированием образца F_deƒ(t).

Как видно, из полученных диаграмм (фиг. 9) на первом временном интервале t₁=0…2,68 мс абсолютные значения разности между мгновенными показаниями силоизмерителя (диаграмма 1) совпадает с силами инерции полученными экспериментально (диаграмма 2), что свидетельствует об упругой работе в ходе ударно-волнового нагружения. Дальнейшее расхождение графиков отражает затраты силового воздействия на деформирование конструкции в пластической стадии, временной интервал от t₂=2,68…18,81 мс.

Меняя высоту падения груза и его массу, с помощью предложенного способа можно провести сопоставительный анализ напряженно-деформированного состояния испытываемой строительной конструкции или разных строительных конструкций при равных условиях нагружения по усредненной энергии деформирования и тем самым обеспечить мониторинг безопасности зданий и сооружений