/
Автор: Землянский А.А.
Теги: строительство строительные материалы строительно-монтажные работы отдельные виды строительства строительное проектирование строительство зданий
ISBN: 5-93093-107-0
Год: 2004
Текст
А.А. Землянским
-
ОБСЛЕДОВАНИЕ
И ИСПЫТАНИЕ
К*
ЗДАНИИ И СООРУЖЕНИИ
М ОСКАЛ
2004
А.А. Землянский
ОБСЛЕДОВАНИЕ И ИСПЫТАНИЕ
ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
Допущено Министерством образования Российской Федерации
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных
заведений, обучающихся по специальности
“Прэмышлеииое и гражданское строительство”
направления “Строительство”
Москва
2004
УДК 69.058 (075.8)
ББКЗ. 74
3 53
Рецензенты:
Заслуженный деятель науки и техники РФ, профессор, докт ор технических
наук М.В. Малышев (проф. кафедры "Механика грунтов, основания и
фундаменты" Московского государственного строительного университета);
кафедра “Строительные конструкции и гидротехнические сооружения"
Саратовского государственного аграрного университета им. Н.И. Вавилова
(доцент, кандидат технических наук С.В.Зашииацкчй)-,
кафедра "Технология и организация строительства” Балаковского
института техники, технологии и управления Саратовского
государственного технического университета
(заведующий кафедрой, профессор, доктор технических наук В. С. Копейкин).
3 53 Землянский А.А. Обследование и испытание зданий и сооружений:
Учебное пособие. М.: Изд-во ЛСВ, 2004. - 240 с., с илл.
ISBN 5-93093-107-0
Рассмотрены вопросы методического, инструментального и
метрологического обеспечения обследования, испытания и реконструкции
зданий и сооружений. Дана методика использования методов
математического п (анирования экспериментов при испытании
строительных конструкций и строительных материалов.
Приведена приборная база нового поколения для дефектоскопии
строительных материалов и конструкций неразрушающими методами.
Представлены методы инженерною определения напряжений и реактивных
давлений в грунтовых основаниях.
Предназначено для студентов специальности "Промышленное и
гражданское строительство", а также для инженерно-технических работни-
ков строительных лабораторий и организаций.
ISBN 5-93093-107-0
УДК 69.058(075.8)
ББК 38.74
© Издательство ЛСВ, 2004
© Балаковский институт техники, технологии
и управления Саратовского государственного
технического университета. 2004
© Л Л. Землянский. 2004
Or 1ЯВ leiiHC
Введение............................... —-..................'
1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ОБСЛЕДОВАНИЯ И ИСПЫТАНИЯ
СООРУ ЖЕН ИЙ .............................................9
1.1. Историческая хроника развития экспериментальных
методов обследования и испытания зданий и сооружении .. 9
1.2. Основные определения, классификация освидетельствова-
ний и испытаний сооружений........................... 16
1.3. Нормативные требования к строительным конструкциям и
сооружениям ................... . .......................17
1.4. Условность расчетных схем..._............— — — - 19
1.5. Условность расчетных характеристик строительных
материалов.................................................................. -19
1.6. Влияние температурных и влажностных условий
эксплуатации........................................... 21
1.7. Влияние изменения свойств строительных материалов во
времени........................................... 21
1.8. Влияние разуплотнения стыков н соединений элементов
на работу сооружений...................................23
1.9. Цели и задачи обследования и испытания сооружений....23
2. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПРОВЕДЕНИЯ ИНЖЕНЕРНОГО
ЭКСПЕРИМЕНТА....26
2.1. Методы обследования и испытания сооружений.......26
2 2. Основы метрологии и стандартизации в строительстве.29
2.3. Основные метрологические характеристики средств
измерений.................................................................. .33
2.4. Основы теории планирования эксперимента____ ... 37
2.5. Конструктивные и технические особенности
измерительных средств................................ 47
2.5.1. Измерительные приборы для статических испытаний и
Область их применения....................... 48
2.5.2. Силоизмерительныс приборы_________________ „49
2.5 3. Приборы для линейных измерений.... ..52
2.5.4. Клинометры_______________________________ 59
2.5.5. Тензометры.. _ 62
2.5.6. Сдвигомеры............................ _ 70
2 5.7. Геодезические методы измерения перемещений_ 71
2.5.8. Фотометрические методы__________________ ______75
1А. Информационно-измерительные системы 77
2.7. Тарирование измерительной аппаратуры и приборов____ ... 79
3. НЕРАЗРУШАЮЩИЕ МЕТОДЫ ИСПЫТ Ш11Г1«4
3.1. Общие сведения........................ .. 84
3.2. Методы проникающих сред......... 84
3 3. Механические методы испытаний______________________jf,
3
3.3.1. Оценка прочности металла.......................86
3 3.2. Оценка прочности бетона........................87
3 3.3. Оценка прочности древесины.....................91
3.4. Акустические методы 91
3.4.1. Ультразвуковые методы______________________-...92
3.4.2. Область применения ультразвуковых методов-....94
3.4.3. Импульсные звуковые методы....................97
3.5. Магнитные, электрические и электромагнитные методы...98
3.5.1. Дефектоскопия металла........................ 98
3 5.2. Магнитные толщиномеры ---'------------------101
3.5.3. Определение напряжении с помощью
магнитоупругого тестера..............................102
3.5.4. Приборы магнитно-индукционного типа...........103
3.5.5. Определение влажности древесины...............105
3.6. Методы, основанные иа использовании ионизирующего
излучения..................................................105
3.6.1. Область применения рентгеновского и гамма-
излучений.......................................105
3.6.2. Область применения нейтронного излучения______111
3.7. Радиодефектоскопия, инфракрасная дефектоскопия
и голографические методы____________________________110
3.8. Приборы неразрушаюшего контроля нового поколения....112
3.8.1. Влагомер универсальный ВИМС-1-----------------113
3.8.2. Многоканальный терморегистратор ТЕРЕМ-2.Х_____114
3.8.3. Измеритель теплопроводности ИТП-МГ4___________115
3.8.4. Измеритель прочности бетона ОНИКС-2.3---------116
3.8.5. Прибор универсальный ультразвуковой ПУЛЬСАР-1 Л.... 117
3.8.6. Дефектоскоп вихретоковый ВДЛ-5М...............118
3 8.7. Измеритель защитного слоя бетона ПОИСК-2.3..119
3.8.8. Толщиномер ультразвуковой УТ-93П______________120
3.8.9. Виброметр строительный ВИСТ-2_________________121
3.8.10. Измерители механических напряжений и колебаний
ИНК-2, ИНК-2к.......................................122
3.8.11. Измеритель активности цемента ИПЦ-МГ4________123
4. ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ
КОНСТРУКЦИЙ И СООРУЖЕНИЙ---------------------------------124
4.1. Классификация видов подобия при моделировании_ ___124
4.2. Теоремы подобия___________________________________124
4.3. Определение критериев подобия........... .........126
4.4. Практические задачи моделирования_____________ ___129
5. ОБСЛЕДОВАНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ______________________________________130
5.1. Ознакомление с документацией и визуальный осмотр
сооружения............ .........................130
5 2. Проверка основных геометрических размеров--------131
4
5.3. Выявление и регистрация осадок, деформаций и поврежде-
ний__________________________..______-................. 132
5.4. Оценка качества и состояния строительных материалов н
соединений....................................
5.4.1. Общие сведения...............................136
5.4.2. Отбор образцов для традиционных лабораторных
испытаний.................—--------------------- ---— 137
5.5. Перерасчет обследованных конструкций и заключение по
результатам обследования—_____________________ .139
6. СТАТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ НЕСУЩИХ
КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ™ ........................ 141
6.1. Задачи испытаний.................................. 141
6.2. Выбор элементов для испытания............ . 142
6.3. Выбор схемы загружения.............................143
6.4. Нагрузка и ее разновидности при статических испытаниях_ 145
6.5. Режим испытания................................... .. 146
6.5.1. Назначение величины испытательной нагрузки....146
6.5.2. Последовательность приложения и снятия нагрузки .. ...147
6.5.3. Режим выдерживания нагрузки..................148
6.6. Проведение статических испытаний..................149
6.6.1. Подготовительные работы______________________149
6.6.2. Размещение приборов________._________________ .150
6.6.3. Основные работы, выполняемые в процессе испытаний. 151
6-7. Обработка результатов статических испытаний.. .........154
6.7.1 Графическая обработка........................ 154
6.7.2. Определение прогибов при загружении простой бвлки.... 155
6.7.3. Определение опорных моментов и жесткости балки по
измеренным прогибам и углам поворотов...... .... .. ...156
6.7.4. Определение главных фибровых деформаций......158
6.7.5. Переход от фибровых деформаций к напряжениям.159
6.8. Анализ результатов статических испытаний 160
7. МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ И ДАВЛЕНИЙ
В ГРУНТАХ..................................................162
7.1. Измерение напряжений в грунтах................... 162
7.1.1. Типы датчиков напряжений в грунте___ .. 163
7.1.2. Эластичный датчик напряжений в грунте.... ..164
7.1.3. Струнные жесткие датчики___ ________ ..165
7.1.4. Комбинированный датчик.............. . 166
7.1.5. Прибор для измерения напряжений в грунтах.. .167
7.1.6. Датчик для измерения активного давления.. __168
7.2. Измерение порового давления в грунтах . _ ________169
7.2.1. Электрические пьезометры... ..169
7 2.2. Пьезометры с набивкой...................... 170
7.3. Метод индикаторов 171
5
ТА. Полевые методы определения плотности, влажности
и дсформативности грунтов....................................175
7.5. Методы каротажа скважин................................177
7.6. Метод уплотнения и повышения устойчивости грунтов......179
Заключение_____________________________________________________ 180
Список литературы_____......................._...._______________ 181
Приложения___________________________________________________ 183
Приложение 1. Разновидность и технические характеристики
приборов неразрушающего контроля — приборов
нового поколения.................................................184
Приложение 2. Перечень и краткое содержание лабораторных
работ по изучаемому курсу..............................188
Введение
Бурное развитие строительства в период перехода всего чело-
вечества из XX в XXI век связано с кардинальным повышением эф-
фективности строительного производства, коренным улучшением качества
выпускаемой продукции, повышением уровня эксплуатационной надежно-
сти, рациональным использованием сырьевых ресурсов, созданием прин-
ципиально новых технологий и методик расчета, проектирования, возведе-
ния и эксплуатации зданий и сооружений различного назначения.
Ведущая роль в современной строительной науке и практике при-
надлежит экспериментальным методам исследований на основе широкого
использования различных принципов моделирования работы несущих и
ограждающих строительных конструкций.
Многим сооружениям часто присущи настолько сложные расчет-
ные схемы, что обеспечить их надежность с достаточной достоверностью
теоретическим путем чрезвычайно трудно, а порой и невозможно при со-
временном состоянии строительной науки, так как даже в простых конст-
рукциях, как правило, расчетные схемы лишь частично отражают действи-
тельную работу исследуемой конструкции.
Таким образом, решение многих инженерных задач напрямую свя-
зано с широким использованием на практике экспериментальных знаний,
накопленных в курсе "Обследование и испытание зданий и сооружений",
так как построение новых расчетных моделей и подтверждение старых тео-
ретических моделей возможно на практике лишь после детального экспе-
риментального изучения фактического поведения реальных строительных
объектов в течение всего нормативного срока их эксплуатации.
Теоретический и экспериментальный курс "Обследование и испы-
тание зданий и сооружений" является завершающим в ходе изучения стро-
ительных дисциплин и знаний, полученных студентами в курсах математи-
ки, физики, строительных материалов, теоретической механики, теории
упругости, сопротивления материалов и строительной механики. И на
практике он позволит молодым выпускникам по специальности 290300 бо-
лее глубоко проникнуть в физическую суть ранее изученных теоретических
дисциплин и понять фактическую взаимосвязь основ механики деформиру-
емого твердого тела и расчетов с применением моделей строительных кон-
струкций, выполненных из металла, железобетона, дерева и различных
композиционных материалов.
Курс "Обследование и испытание зданий и сооружений" состоит из
двух частей: теоретической и практической, включающей лабораторные
работы.
7
В теоретической части излагаются методы и средства проведения
инженерного эксперимента, приемы обследования и освидетельствования
строительных конструкций, методы неразрушающего контроля и дефекто-
скопии, основы моделирования и испытаний строительных конструкций,
особенности определения напряжений и давлений в грунтах, а также поря-
док проведения статистической обработки и анализа полученных экспери-
ментальных данных.
При выполнении лабораторных работ приобретаются практические
навыки работы с приборами, навыки проведения экспериментов и анализа
экспериментальных данных в конкретных полевых или лабораторных ус-
ловиях.
В настоящем учебном пособии все изучаемые проблемы освещены
в объеме, предусмотренном Государственным образовательным стан-
дартом высшего профессионального образования по направлению под-
готовки дипломированных специалистов 663500 "Строительство”, соот-
ветственно по специальности 290300 "Промышленное и гражданское стро-
ительство", утвержденным 7 марта 2000 года, а также рабочей программы
курса "Обследование и испытание зданий и сооружений", утвержденной 6
мая 2000 года.
Автор выражает искреннюю признательность всем специалистам
по обследованию и испытанию зданий и сооружений, с которыми ему пос-
частливилось работать.
Особую признательность автор выражает д.т.н., проф. М.В. Малы-
шеву, д.т.н., проф. И.Г. Овчинникову, д.т.н., проф. А.П. Денисовой, д.т.н.,
проф. В.С. Копейкину, к.т.н., доц. Л.С. Сигалову, доц. В.А. Аридову и
к.т.н., доц. С.А. Ращепкиной за ценные замечания и указания, которые были
учтены в настоящем издании.
1.1. Историческая хроника развития экспериментальных методов
обследования и испытания зданий и сооружений
Еще на заре человечества, когда не существовало никаких теорий и
расчетов, люди уже строили себе жилища, не сознавая, что вступают в не-
видимый конфликт с силами природы, в противоборство в первую очередь
с силами гравитации, которые, воздействуя на конструкцию, создают в ней
внутренние силы, стремящиеся разрушить материал, разорвать имеющиеся
в конструкции связи.
Если конструкция была в состоянии преодолеть эти силы, то стро-
ительство завершалось успешно. В противном случае происходили аварии,
даже катастрофы. Единственным руководством для строителей тех времен
был опыт, полученный ими при возведении различных сооружений. Опыт
подсказывал возможность построения подобных или строительство более
крупных объектов, чем построенные, если они удовлетворительно выпол-
няли свои функции, а примерами аварий предостерегал от повторения оши-
бочных решений и увеличения размеров.
Первым, известным (по документам) из Библии случаем драмати-
ческой развязки конфликта между замыслами человека и реальными воз-
можностями, является обрушение Вавилонской башни. В начале нашей эры
в Фиденах обрушился амфитеатр, под обломками которого погибли многие
тысячи человек. Аварии конструкций возникали по разным причинам на
протяжении всей истории строительства. Случаются они и в настоящее
время.
В 1879 году, через 19 месяцев после начала эксплуатации, в Англии
обрушился Тейский мост длиной 3,5 км, шириной 4,5 м. Мост был рассчи-
тан на вертикальную нагрузку с двадцатикратным запасом прочности. Про-
летные строения опрокинулись от воздействия горизонтальной ветровой
нагрузки. Катастрофа послужила толчком для уточнения расчетов на ветро-
вую нагрузку.
1 мая 1891 года также в Англии, у станции Норзуд обрушился же-
лезнодорожный чугунный мост пролетом 9 м, после эксплуатации в тече-
ние 31 года. Причиной аварии послужила хрупкость чугуна. После этой
аварии чугун для строительства мостов не применяют.
В 1905 году в Петербурге обрушился Египетский мост, когда по
нему проезжала конница. Обрушение произошло в результате резонанса,
порожденного ритмичным шагом большой массы конницы, в результате
стали учитывать возможность возникновения резонанса.
В 1907 году произошло обрушение Квебекского моста в Канаде че-
рез реку Св. Лаврентия длиной 988м, с главным пролетом 549м. Обрушение
произошло во время строительства. Из 86 работников погибло 75 человек.
9
28 января 1922 года в Вашингтоне обрушилось покрытие над зри-
тельным залом кинотеатра «Никарбокар». Погиб 91 человек и 200 получили
тяжелые ранения. Причиной аварии послужили перегрузка перекрытия сне-
гом и низкая температура наружного воздуха, вызвавшие дополнительные
сжимающие напряжения в верхних поясах стропильных ферм. Стали боль-
ше внимания уделять температурным воздействиям.
В 1940 году в США обрушился висячий мост через реку Такома
длиной 1662м, с главным пролетом 854м. Обрушение произошло через 4
месяца после начала эксплуатации в течение 45 минут в результате дина-
мических колебаний, вызванных ветром, имевшим скорость 18,8 м/с. В на-
стоящее время динамический характер ветровых воздействий учитывается.
В 1972 году на Филиппинах в г. Нага-Сити обрушился мост во
время религиозных представлений на реке. Обрушение произошло в ре-
зультате односторонней перегрузки собравшимися на мосту зрителями.
В 1956 году в Советском Союзе обрушилось покрытие меланжево-
го комбината. Причиной обрушения оказались перегрузка снегом и пылью,
перепад температур в анкерных участках затяжек, а также нарушения, до-
пущенные при производстве строительных работ.
В 1957 году обрушилась железобетонная водонапорная башня.
Причиной обрушения послужило применение в нижней части башни бетона
невысокой прочности.
В 1959 году обрушился силосный корпус зернового элеватора с
квадратными ячейками, выполненный по типовому проекту. В 1961 году
произошло обрушение типового силосного корпуса зернового элеватора с
круглыми ячейками. Причинами аварий послужили отступления от норм и
низкое качество бетона. В некоторых случаях аварии силосных корпусов не
находили каких-либо разумных объяснений.
В 1965 году в США разрушилось здание склада размером 350x42м
высотой 27 м с покрытием из трехшарнирных арок. Разрушение произошло
в результате сдвига фундаментов, вызванного распором в опорах арок.
Причиной аварии явилось неудачное проектное решение - не была предус-
мотрена установка затяжек в уровне опор арок.
В Саратове на мукомольном заводе №1, размещавшемся в кирпич-
ном здании старой мельницы, обрушился участок стены шириной около
18м на высоту всех шести этажей. Обрушение произошло примерно через
20 лет после произведенной реконструкции производства. Причиной аварии
послужило неудачное размещение тонкостенных металлических бункеров
для зерна в непосредственной близости от внутренней поверхности стены.
При освобождении от зерна стенки бункеров ударяли в стену мельницы, не
рассчитанную на динамические горизонтальные воздействия.
Как видим, к авариям приводят разнообразные причины, которые
возникают на всех этапах создания и эксплуатации объектов. Иногда они
являются результатом недостаточного уровня знаний о работе конструкций,
а иногда - халатности и недобросовестности строителей и эксплуатацион-
ников. Для устранения возможности возникновения аварий требуется дли-
10
тельное накопление опытных данных, а также повышение профессиональ-
ной подготовки специалистов.
Увеличение надежности и улучшение конструктивных решений
должно базироваться на опыте строительства и на научных исследованиях,
имеющих многовековую историю. Становление и развитие строительной
техники и науки шло постепенно, по мере накопления всё новых и новых
данных.
Одним из самых первых ученых в области строительства считается
Гермоген, живший в Греции в П-Ш веках до нашей эры.
В III веке до нашей эры Архимед создал статику, являющуюся ос-
новой механики материалов. Он также изучал свойства материалов.
Первые зачатки строительной механики заложил Леонардо да Вин-
чи (1452-1519). Своими трудами он подготовил почву для работ Галилея,
который в 1638 году издал книгу «Беседы и математические доказательст-
ва, касающиеся двух новых отраслей науки, относящихся к механике и ме-
стному движению». В ней он рассмотрел вопросы прочности подобных тел
разных размеров и сделал правильный вывод о том, что при увеличении
размеров тело в целом становится менее прочным. Там же он описал свое
представление о расчете балки прямоугольного сечения и тем самым зало-
жил начало изучению работы изгибаемых элементов, на разработку кото-
рых потребовалось, как теперь мы знаем, более двухсот лет.
Он исходил из предположения,
что в сечении изгибаемого элемента воз-
никают растягивающие напряжения, ко-
торые распределяются равномерно и мо-
вычислены по формуле
Рис. 1.1
быть
где
Р~ bh2~w’
W = — -
2 • •
Через 46 лет 1684 год Лейбниц пришел к выводу, что напряжение в
балке распределяются по закону треугольника и могут быть вычислены по
где
= ЗР£ _М ~
р~ bh2~w'
w=—
В 1713 году француз Паран, рассуждая теоретически, пришел к вы-
воду, что в балке возникают растягивающие и сжимающие напряжения, но
11
только в 1767 году Дюгамель экспериментально доказал, что это действи-
тельно так. Он провел опыты с деревянными балочками. В одних образцах
в верхней части до середины их высоты он сделал прорези, а другие образ-
цы были без прорезей. В прорези он заложил деревянные прокладки и в
таком виде их нагружал, доводя до разрушения. Несущая способность всех
балочек оказалась одинаковой (рис. 1.3).
с--------------------е.-------------------
Рис. 1.3.
Из этого он пришел к выводу, что в изгибаемых элементах имеются
растянутая и сжатая зоны. Он рассуждал так: если бы были только растяги-
вающие напряжения, то прокладки выпали бы, а несущая способность у
образцов была бы разной. Эти опыты называли «экспериментом поворотно-
го столба».
Однако только в 1821 году, через 163 года после работ Галилея На-
вье доказал, что в изгибаемых элементах нейтральная ось проходит через
центр тяжести поперечного сечения. С тех пор напряжения стали опреде-
М xz
М,
W
лять по формуле (рис. 1.4):
где для прямоугольного сечения
W =
Укорочение и удлинение волокон в изгибаемых элементах было
доказано экспериментально Мореном в 40-х годах XIX века.
В 1855 году русский ученый Д.И.Журавский установил наличие
касательных напряжений в балках и предложил вычислять их по формуле:
Работами Журавского в основном завершилось изучение изгибае-
мых элементов. Для успешного завершения этой сравнительно несложной
задачи потребовалось более 200 лет упорного труда многих крупнейших
ученых мира.
Полученный результат достигнут благодаря осмыслению собран-
ных к этим годам опытных данных. Их накоплению содействовало созда-
ние и непрерывное совершенствование экспериментальной базы. Сначала
проводили только испытания строительных материалов на прочность при
12
сжатии, растяжении и изгибе. Выполняли их непосредственным нагруже-
нием образцов вплоть до разрушения без измерения деформаций. Такой
примитивный метод испытаний не раскрывал полностью физических про-
цессов, протекающих при сопротивлении материала действию внешних
сил. По этой причине, например, Галилей не заметил одновременно возни-
кающих растягивающих и сжимающих напряжений в сечениях изгибаемых
элементов и поэтому сделал недостаточно точные выводы.
Позже для нагружения образцов стали применять простейшие ма-
шины, основанные на использовании рычажного принципа. Они постоянно
совершенствовались и достигли уровня рычажных и гидравлических испы-
тательных установок, применяемых в настоящее время, способных созда-
вать с большой точностью усилия, измеряемые в граммах, и огромные - в
десятках, тысячах тонн. В этот период были изобретены приборы для изме-
рения деформаций, твердости и других характеристик материалов.
Со временем для испытания материалов, конструкций, сооружений
стали создавать специальные лаборатории. Одну из первых лабораторий
для испытания металлов создал Реамюр, она была оснащена испытательной
машиной, построенной специально для этих целей. В 1722 году он описал
методику проведения механических испытаний металлов. Этот год считает-
ся началом механических испытаний металлов. В 1790 г. в Германии была
построена машина для испытания металла, используемого в пушках.
В России первые испытательные машины появились на петербург-
ских заводах. В 1823 году на механическом заводе была сконструирована и
построена самая мощная в Европе цепепробная машина для испытания це-
пей висячих мостов с разрывным усилием до 60т. В 1842 г. сделана машина
на Александровском заводе, а в 1850 г. - на Калпинском, мощностью 100 т.
В связи с развитием железнодорожного транспорта и необходимос-
тью строительства железнодорожных мостов возникла потребность опреде-
лять механические свойства применяемых материалов. Поэтому создаются
механические лаборатории, оборудованные комплексом испытательных
машин и приборов, позволяющих проводить более детальные исследования
в широких масштабах.
Первые такие лаборатории возникли при высших учебных заведе-
ниях. Но в 60-70-х годах XIX столетия такие лаборатории стали создавать и
при заводах. Они осуществляли контроль качества применяемых на заводах
материалов. Первая механическая лаборатория такого типа была организо-
вана в 1847 г. в Лондонском университете. В 1852 г. в Берлине, в Промака-
демии, была создана станция по испытанию металлов при повторных на-
грузках. В России первая механическая лаборатория была организована
проф. Собко при Петербургском институте инженеров путей сообщения.
Вскоре руководителем этой лаборатории стал проф. Н.А. Белслюбский. В
1875-1876 гг. он преобразовал ее в испытательную станцию по строитель-
ным материалам.
В 1900 г. была создана механическая лаборатория в Санкт-
Петербургском институте гражданских инженеров. В ней проводились
13
учебные занятия и выполнялись научно-исследовательские работы по изу-
чению механических свойств строительных материалов, выполнялись зака-
зы строителей. С 1926 года лаборатория стала проводить испытания строи-
тельных конструкций в полевых условиях. В настоящее время эта лабора-
тория работает при кафедре железобетонных и каменных конструкций
СПБГАСУ.
Большое влияние на развитие методов испытаний оказали между-
народные конференции и конгрессы по испытаниям материалов, прово-
дившиеся с 1884г. по инициативе профессора Баушингера. На первой меж-
дународной конференции от России участвовали Белелюбский, Шуляченко,
Крель. Конгрессы и конференции ускорили принятие стандартов, способст-
вовали апробированию новых методов испытаний.
Большой вклад в развитие экспериментальных исследований мате-
риалов, конструкций и сооружений внесли наши соотечественники, осо-
бенно в советский период.
В 1859 г. С.В. Кербедз, автор проекта моста Шмидта через Неву,
изучал работу заклепочных соединений. В результате им было установлено,
что соединения с продавленными отверстиями выдерживают усилия на 9-
13% меньше, чем соединения с рассверленными отверстиями. Результаты
этих исследований используются и в настоящее время.
Д.И. Журавский впервые разработал методику теоретического рас-
чета прочности деревянных мостов из ферм системы Гау. С помощью про-
стейшей модели он доказал, что усилия в раскосах и стяжках однопролет-
ных мостов возрастают по мере приближения к опорам, тогда как в то вре-
мя считалось, что наибольшие усилия в них возникают в середине пролета.
Изготовленная модель была небольшого размера, при этом все стяжки в ней
были выполнены из тонкой проволоки одинакового диаметра. После на-
гружения модели он смычком проводил по стяжкам. Стяжки, расположен-
ные ближе к опорам, производили более высокий звук, следовательно, в
них действовали большие напряжения. Он же на модели двутавровой бал-
ки, сделанной из картона, определил, что установка ребер жесткости на
70% увеличивает несущую способность балки.
Проф. Н.А. Белелюбский впервые в мире применил литое железо
для строительства мостов. По его инициативе и при его участии создан пер-
вый метрический сортамент прокатного железа. Он провел ряд испытаний
железобетонных конструкций, способствовавших массовому применению
железобетона в России.
Проф. В.Л. Кирпичев положил начало применению оптического
метода изучения деформации, внес серьезный вклад в теорию моделирова-
ния. По написанному им учебнику «Сопротивление материалов» училось
много поколений инженеров.
Ф.С. Ясинский создал теорию расчета сжатых стержней на устой-
чивость. Развитие методов испытаний связано с деятельностью академиков
А.Н. Крылова, Е.О. Патона, проф. Н.М. Беляева.
14
Профессор Н.Н. Давиденков много сделал для применения акусти-
ческого метода определения деформаций. Вместе с Я.Б. Фридманом он раз-
работал объединенную теорию прочности.
Выдающийся физик академик А.Ф. Иоффе внес большой вклад в
изучение прочности материалов. Его труды в этой области содействовали
выходу науки о прочности материалов на принципиально новый уровень -
рассмотрение природы прочности с позиции физики твердого тела. Он экс-
периментально установил причины снижения теоретической прочности
материалов до технической. В его опытах при разрыве кристалла соли в
воздушной среде прочность не превышала 0,4 МПа, а при разрыве образца,
погруженного в воду, она иногда достигала 16 МПа. Увеличение прочности
он объяснял тем, что при растворении поверхностных слоев исчезают нахо-
дившиеся в них трещины и другие дефекты, которые являются концентра-
торами напряжений. Уменьшение концентрации напряжений улучшает ус-
ловия сопротивления материала внешней нагрузке.
Проф. Н.С. Стрелецкий создал методику экспериментальных ис-
следований мостовых сооружений. Большие работы, способствовавшие
развитию полевых методов испытаний, проделаны проф. А.А. Гвоздевым,
К.И. Безуховым, В.З. Власовым, И.М. Рабиновичем, Ю.А. Нилендером и
рядом других выдающихся ученых.
За годы существования Советского Союза испытания сооружений
получили большое развитие. Для их обеспечения был создан ряд научно-
исследовательских институтов: Центральный научно-исследовательский
институт строительных конструкций, Всесоюзный научно-
исследовательский институт бетона и железобетона и др.
Экспериментальные исследования постоянно совершенствуются.
Для их проведения требуются все более точные и чувствительные приборы.
В бывшем Советском Союзе конструирование и изготовление измеритель-
ной аппаратуры было развернуто на современном индустриальном уровне.
Большой вклад в обеспечение испытательными приборами внесли
проф. Н.Н. Аистов, Н.Н. Давиденков, Н.Н. Максимов, Л.М. Емельянов и
многие другие.
Испытания натурных конструкций не всегда дают желаемую пол-
ноту информации. Они, как правило, очень сложны, приводят к большим
затратам времени и средств. Во многих случаях, особенно при испытаниях
с научными целями, применяют модели. Испытания на моделях позволяют
выяснить действительное напряженно-деформированное состояние и на-
дежность конструкций, не производя теоретических расчетов, уточнить
принятую расчетную схему или обнаружить новые закономерности.
Видимо, первые испытания на моделях были выполнены в 1732г.
французским ученым Данизи, который проводил опыты с небольшими мо-
делями арок и установил действительный характер их разрушения.
В 1772-1776 годах И.П. Кулибин провел испытания модели моста
через р. Неву пролетом 298м, выполненную в 0,1 натуральной величины.
Заслуга Кулибина в данном случае состоит в том, что он первый применил
15
испытания модели конструкции и этим указал на большие возможности
опытной проверки прочности сооружений по испытаниям на моделях.
При моделировании для измерения деформаций используют поля-
ризационно-оптический метод, способ тензосеток, стереофотограммстриче-
ский метод и др. Многие научно-исследовательские институты и в нашей
стране, и за рубежом широко применяют моделирование при проектирова-
нии и исследованиях конструкций. Широко используется моделирование
при проектировании сложных конструкций в Италии, США, Англии, Фран-
ции, Польше, Германии и других странах. В научно-исследовательском
центре в г. Бегамо (Италия) освоено моделирование плотин. В Португалии
успешно моделируются рамные и другие конструкции.
Несмотря на явные преимущества исследований на моделях, в
практике часто приходится проводить испытания пробной нагрузкой на-
турных конструкций. Дело в том, что не всегда бывает возможность изгото-
вить модель, подобную строительной конструкции. Кроме того, например,
при контроле качества серийных изделий на заводах железобетонных кон-
струкций испытания натурных конструкций больших неудобств не вызы-
вают.
Первые испытания пробной нагрузкой строительных конструкций
натуральной величины, видимо, были проведены в России в 1831г. при
строительстве в Санкт-Петербурге драматического театра (ныне театра
драмы им. А.С. Пушкина). Были испытаны металлические фермы покрытия
пролетом 30м. Затем испытывались стропильные фермы для покрытия
Зимнего дворца при восстановлении здания после пожара 1837 года.
В настоящее время техника испытательного дела развита настоль-
ко, что позволяет проводить натуральные испытания сложных крупнораз-
мерных конструкций. Контрольные испытания конструкций, изготавливае-
мых серийно на заводах железобетонных конструкций, являются обяза-
тельной составной частью технологического процесса.
Таким образом, экспериментальные методы исследования состав-
ляют надежную материальную базу для современной науки и практики.
1.2. Основные определения, классификация
освидетельствований и испытаний сооружений
Под испытанием сооружений понимают совокупность операций,
связанных с выявлением и проверкой состояния, а также работоспособнос-
ти обследуемых строительных объектов и отдельных их элементов. Эти
операции могут быть разбиты на следующие основные комплексы:
1) освидетельствования, включающие операции по проверке разме-
ров, выявлению качества материалов, дефектоскопии и уточнению других
факторов, определяющих состояние сооружения;
2) испытания, под которыми понимается проверка поведения ис-
следуемого объекта при приложении к нему внешних нагрузок (статичес-
16
ких и динамических), изменение температуры и влажности внешней среды
ит.д.;
3) перерасчеты на прочность, деформируемость, трещиностойкость
как отдельных, входящих в состав сооружения конструкций, так и всего
объекта в целом, проводимые на основании фактических данных, получен-
ных в результате освидетельствования и испытания.
Классификация освидетельствований и испытаний может произво-
диться по различным признакам. Приведем главнейшие из них.
1. Классификация по цели исследования:
а) приемочные освидетельствования и испытания законченных
строительных объектов перед сдачей их в эксплуатацию;
б) освидетельствования и испытания объектов, находящихся в экс-
плуатации, как плановые, так и назначаемые в особых случаях, например,
для установления фактической несущей способности сооружения в связи с
предстоящей его реконструкцией, после аварии и т.д.;
в) испытания деталей и элементов на заводах-изготовителях;
г) научно-исследовательские испытания.
2. Классификация по объектам исследования:
а) натурные освидетельствования и испытания, проводимые на ре-
альных объектах;
б) испытания отдельных конструкций и их элементов на специаль-
ных установках или стендах, проводимые как в лабораториях для испыта-
ний строительных конструкций, так и на строительных полигонах и пло-
щадках;
в) испытания на моделях, воспроизводящих в уменьшенном мас-
штабе или исследуемое сооружение в целом, или отдельные его детали.
Модельные испытания, как правило, проводятся в лабораторных условиях.
Классификация по характеру приложенной нагрузки:
- статические испытания;
- динамические испытания.
Болес детальная классификация каждой из этих групп рассматри-
вается далее.
1.3. Нормативные требования к строительным
конструкциям и сооружениям
К любым сооружениям предъявляются следующие требования:
- все сооружения, а также отдельные их элементы должны быть проч-
ны и устойчивы, т.е. должна быть обеспечена несущая способность соору-
жений;
- перемещения элементов не должны выходить за пределы, обуслов-
ленные возможностью и удобством эксплуатации;
- не должны возникать трещины и повреждения, нарушающие воз-
можность нормальной эксплуатации или снижающие долговечность соору-
жений.
17
В то же время не должны допускаться и излишние запасы как в от-
ношении классов и марок применяемых материалов, так и в отношении се-
чений отдельных элементов, а также и в конструктивной системе сооруже-
ния в целом.
Наблюдения за состоянием построенных зданий и сооружений,
уроки аварий и катастроф, опытные данные, получаемые в лабораториях и
при натурных испытаниях конструкций, помогли понять, что принимаемые
при проектировании теоретические расчетные схемы в той или иной мере
не всегда соответствуют действительной работе возведенных объектов.
Несоответствия, характерные для стадии проектирования, сохра-
няются в течение всего срока эксплуатации сооружения, дополняясь и пре-
образовываясь под влиянием новых факторов, возникающих на различных
этапах существования сооружения.
Уточнение знаний о действительной работе конструкций достига-
ется на основе анализа опытных данных. Потребность в достоверных ис-
точниках этих знаний однозначно определяет практическое значение и ак-
туальность экспериментальных методов исследования строительных конст-
рукций сооружений.
Надежность и долговечность строительных конструкций сооруже-
ний обеспечивается в том случае, когда поперечные сечения, узлы сопря-
жений, соединения, назначенные при проектировании с учетом генераль-
ных размеров и действия всевозможных нагрузок, обладают достаточной
прочностью, устойчивостью, трещиностойкостью, а также обеспечивают
развитие деформаций не более чем в допустимых пределах и необходимую
коррозийную стойкость. Реализация этих требований должна достигаться
при минимальных затратах материалов и денежных средств.
Дифференцированно с большой точностью учесть влияние каждого
из этих факторов на работу конструкций при проектировании обычно не
удается. Поэтому проектировщики составляют конструктивную схему зда-
ния и, оперируя комплексом нормативных нагрузок, прочностных характе-
ристик материалов, системой частных коэффициентов запаса, принятых в
СНиП, назначают расчетную схему, наиболее соответствующую, по их
представлению, действительной работе конструкций. Заложенные в СНиП
требования, параметры постоянно уточняются опытными данными и, соот-
ветственно, исправляются. Следовательно, применяемые расчетные схемы
являются идеализированными подобиями конструкций и в какой-то степе-
ни не соответствуют их действительной работе. Иными словами, все расче-
ты содержат элементы условности, которые необходимо уметь правильно
оценивать и учитывать.
Практика показывает, что при оценке состояния и работы сооруже-
ний, находящихся в эксплуатации, необходимо учитывать:
• условность статических расчетных схем и возможные отклонения
вычисленных по ним усилий от действительного распределения их
в конструкциях сооружений;
• условность применяемых расчетных характеристик материалов;
18
• возможные отклонения нагрузок от расчетных значений;
• фактическое влияние внешней среды.
Оценить влияние всего комплекса перечисленных факторов теоре-
тическим путем часто бывает невозможно. Выход из этого положения один
- экспериментальное исследование материалов и конструкций.
Таким образом, испытание сооружений не теряет своей актуально-
сти, оставаясь и в перспективе единственно достоверным способом для
оценки влияния допущений, принимаемых в расчетах, соответственно вли-
яющих на надежность и долговечность сооружений.
1.4. Условность расчетных схем
Расчетную схему сооружения назначают исходя из конструктивной
схемы, стараясь обеспечить возможно более полное совпадение расчетных
усилий с усилиями, которые будут возникать в натурной конструкции.
Так как дифференцированно удовлетворять в расчетной схеме всем
условиям работы конструкции бывает трудно, то часть второстепенных
факторов обычно не учитывают, то есть подменяют действительную работу
конструкций упрощенной «идеализированной» расчетной схемой - напри-
мер. при расчетах железобетонных рам с жесткими узлами на вертикальную
нагрузку ригель рассчитывают как изгибаемый элемент, а действием про-
дольной силы и горизонтальным смещением узлов пренебрегают.
Второй пример. При расчетах стальных ферм принимают, что со-
единение элементов решетки с поясами в плоскости фермы шарнирное,
тогда как в местах крепления стержней к фасонкам образуются жесткие
узлы и, следовательно, возникают изгибающие моменты, вызывающие до-
полнительные напряжения в фасонках, а также изгиб стержней вблизи уз-
лов. Расчет с учетом этих дополнительных усилий сложен и трудоемок.
Поэтому жесткостью узлов пренебрегают. Принятое допущение снижает
несущую способность ферм, поэтому недостаток расчетной схемы воспол-
няют конструктивными приемами.
При опирании однопролетной балки на кирпичную стену эпюру
напряжений в опорной части принимают прямоугольной или треугольной,
хотя в действительности она имеет более сложное очертание. В результате
этих допущений изменяется расчетная длина пролета.
Различные допущения неизбежны при любых расчетных схемах.
Важно правильно оценить их влияние на расчетные усилия: идут ли они в
ущерб надежности конструкции или нет, в какой степени и т.д.
1.5. Условность расчетных характеристик
строительных материалов
Все расчеты строительных конструкций производятся по норма-
тивным и расчетным характеристикам, регламентированным СНиП. При
19
определении расчетных нагрузок нормативные нагрузки умножают на ко-
эффициенты надежности, установленные СНиП в пределах статистически
возможных отклонений с учетом климатических условий, назначения и
очертания объекта.
Нормативные величины сопротивления материалов корректируют
коэффициентами надежности по материалам с учетом коэффициентов ус-
ловий работы. Считается, что конструкция находится в предельном состоя-
нии при достижении этих условных характеристик (напряжений, деформа-
ций и т.д.), тогда как оценку состояний конструкции в натуре производят по
действительным нагрузкам, прочности и деформациям. Отсюда возникает
несоответствие расчетной схемы действительной работе конструкции, ко-
торое приводят к недоучету перегрузки конструкции или, наоборот, к
«фиктивному» перегружению ее.
В классических курсах сопротивления материалов, строительной
механики, теории упругости и строительных конструкций исходят из того,
что все материалы действительно являются «абсолютно» плотными,
сплошными, однородными и изотропными телами, тогда как в действи-
тельности конструкции выполняются из реальных материалов, свойства
которых отличаются от идеализируемых.
В реальных материалах всегда имеются поверхностные и внутрен-
ние трещины, поры, неоднородности и другие дефекты. В результате нали-
чия дефектов прочность материалов может оказаться меньше проектной.
Особенно опасны поверхностные дефекты с острыми углами, на краях ко-
торых при действии на тело внешних сил возникает концентрация напря-
жений - образуется вторичное поле напряжений.
Разрушение начинается, когда напряжения в пиках концентрации
напряжений приближаются к физической (теоретической или идеальной)
прочности материала:
Е-тсо р ~ [^ОТн]’Е,
где Е - модуль Юнга;
[еотн] - предельная относительная деформация.
Наличие дефектов в реальных условиях работы конструкций при-
водит к снижению прочности до уровня технической, которой пользуются в
практике. Она в сотни и даже иногда тысячи раз меньше физической проч-
ности. Например, прочность бетона на растяжение не превышает
Rp <0.00015ES, т.е. меньше Rnteop, по крайней мере, в 600 раз. Неправиль-
ный уход за материалом, например, за бетоном, может привести к увеличе-
нию трещиноватости и еще большему снижению прочности.
Значительное влияние на прочность материала оказывает также его
анизотропность. Например, в древесине прочность вдоль и поперек волокон
разная, и это учитывается в расчетах, а разница прочности бетона вдоль и
поперек направления уплотнения при вибрировании, или в металле вдоль и
поперек проката в расчетах не учитывают. Условность расчетных характе-
ристик также вызывается неоднородностью работы составных сечений. В
таких элементах всегда имеются несовершенства, возникающие в результа-
20
те неточности изготовления деталей, дефектов в местах сопряжений, разно-
родности применяемых материалов, недостаточных связей между элемен-
тами и т.д., которые приводят к внутренним сдвигам, искажающим схема-
тическую картину распределения усилий, принятую по проекту. В этих
случаях теоретические расчеты оказываются малоэффективными и для
оценки отклонений от расчетных характеристик производят испытания в
натурных условиях.
1.6. Влияние температурных и влажностных
условий эксплуатации
Сооружения обычно подвергаются воздействию температур на-
ружного воздуха с годичными, месячными, суточными циклами колебаний.
Температура в конструкциях изменяется при изменении темпера-
туры окружающей среды, стремясь восстановить термодинамически равно-
весное состояние. Выравнивание температуры конструкций с температурой
окружающей среды происходит по глубине элемента неравномерно: в на-
ружных слоях материал прогревается или остывает интенсивнее, чем во
внутренних. Поэтому температура конструкции на разной глубине от по-
верхности не одинакова. Неравномерность температуры в разных слоях
материала приводит к неравномерности напряжений в теле конструкции. В
результате в массивных конструкциях из материалов, обладающих неболь-
шой теплопроводностью, таких, как бетон, возникают температурные вол-
ны, приводящие в ряде случаев к образованию трещин внутри бетонных и
железобетонных конструкций.
В конструкциях из материалов, обладающих большой теплопро-
водностью, например из стали, могут возникнуть циклические деформации,
достигающие иногда недопустимых величин или приводящие к разрыву
конструкций. Например, разрушаются бандажи на дымовых трубах, появ-
ляются трещины в резервуарах и мостах.
1.7. Влияние изменения свойств строительных
материалов во времени
Материал в сооружениях, по аналогии с биологическими средами,
«живет», т.е. его состояние и характеристики в известной степени (в зави-
симости от рода материала, условий эксплуатации и приложенных нагру-
зок) изменяются во времени. Рассмотрим несколько наиболее характерных
примеров.
Общеизвестно, что прочность бетона в сооружениях со временем
возрастает. Однако при неблагоприятных условиях - при низких темпера-
турах свежеуложенного бетона, недостаточном увлажнении его и, в осо-
бенности, при воздействии агрессивных сред, это нарастание прочности не
только замедляется, но может приостановиться совсем, а в отдельных слу-
чаях - даже замениться обратным процессом.
21
При приложении внешней нагрузки зависимость между напряже-
ниями и деформациями в бетоне носит криволинейный характер. Но при
повторных циклах нагружения (не превосходящих 40-50% от предела проч-
ности) график деформаций постепенно выпрямляется (рис. 1.5) и бетон на-
чинает работать практически упруго.
Рис. 1.5. График деформаций при повторных загружениях бетона
В таких условиях находятся, например, железобетонные мосты, си-
стематически загружаемые проходящей подвижной нагрузкой. Наоборот,
длительная выдержка сооружения в ненагруженном состоянии ведет к час-
тичному восстановлению криволинейности диаграммы деформаций.
Характеристики металла в элементах конструкций, работающих в
упругой стадии, остаются практически стабильными. Пластические дефор-
мации вызывают явление наклепа, влияющего на физико-механические
свойства материала (снижение пластичности, увеличение хрупкости, разви-
тие анизотропии и т.д.). Длительная разгрузка отчасти восстанавливает
первоначальные свойства.
Наклеп и механическое старение металла создают условия для
возникновения и развития, в особенности при пониженных температурах,
опасных для целости конструкций “хрупких” трещин.
Постепенное изменение физико-механических свойств наблю-
дается и в других материалах - дереве, пластмассах и т.д., тем более значи-
тельное, чем в более сложных условиях протекает процесс эксплуатации
сооружения. При оценке действительной работы и несущей способности
конструкций выявление и учет возможных изменений характеристик мате-
риалов являются задачей первостепенной важности.
22
1.8. Влияние разуплотнения стыков и соединений элементов
на работу сооружения
При вводе сооружения в эксплуатацию при первых же загружениях
возникают сдвиги и пластические деформации в соединениях и связях, со-
провождающиеся появлением характерных для начальной работы конст-
рукции так называемых “рыхлых " прогибов и перемещений.
Постепенно элементы как бы взаимно “притираются” и приспосаб-
ливаются к условиям эксплуатации, однако сдвиги и остаточные деформа-
ции в соединениях и связях все же возрастают. Элементы начинают рабо-
тать менее слитно, ухудшаются условия их крепления и опирания, появля-
ются трещины и другие повреждения, и возможность нормальной эксплуа-
тации нарушается.
Таким образом, состояние и работа сооружений переменны во
времени. Последовательно при этом сменяются три стадии:
1 - период “приспособления”, продолжающийся до тех пор, пока
деформации, как в основном материале элементов, так и в их соединениях,
становятся практически стабильными в данных условиях эксплуатации;
2 - длительный период нормальной работы;
3 - период “старения”, сопровождающийся расстройством соеди-
нений и связей, появлением различных повреждений и ухудшением показа-
телей работы всего сооружения.
1.9. Цели и задачи обследования и испытания сооружений
Цели и задачи рассматриваемой дисциплины - разработка мето-
дов и средств, предназначенных для качественной и количественной оценки
показателей, характеризующих свойства и состояния функционирующих
объектов, а также опытного изучения процессов, протекающих в них, выяв-
ления экспериментальным путем конструктивных и эксплуатационных
свойств материалов, элементов конструкций зданий и сооружений и уста-
новления их соответствия техническим требованиям.
Обследование строительных конструкций зданий и сооружений со-
держит методы контроля качества изготовления и монтажа элементов стро-
ительных конструкций, обеспечивающих соответствие объекта проектным
значениям, а также отображение действительной работы систем. Так, на
заводах железобетонных изделий выпускаемые железобетонные сплошные
панели для перекрытий жилых и общественных зданий согласно соответст-
вующему ГОСТу должны изготовляться по рабочим чертежам и удовлетво-
рять соответствующим техническим требованиям. Устанавливаются допус-
каемые отклонения от проектных размеров по длине, ширине, толщине,
неплоскостности, разности длин диагоналей, смещению закладных деталей,
толщине защитного слоя.
23
Материалы, применяемые для приготовления бетона, должны
удовлетворять требованиям стандартов на эти материалы и обеспечивать
получение бетона заданных классов по прочности и марок по морозостой-
кости. Толщина защитного слоя бетона для рабочей арматуры должна соот-
ветствовать значению, указанному в рабочих чертежах. Нижняя поверх-
ность панели перекрытия должна быть подготовлена под окраску, на ней не
допускаются местные наплывы бетона, жировые и ржавые пятна, раковины
и открытые воздушные поры, а стальные закладные детали и выпуски ар-
матуры должны быть защищены от коррозии.
Изучение состояния монтируемой или эксплуатируемой конструк-
ции при работе в реальных условиях обеспечивается теми же методами, что
и при контроле качества их изготовления, но зачастую возникает ситуация,
когда для эксплуатируемого объекта отсутствует проектная и рабочая до-
кументация. Тогда для восстановления последней требуется детальное
изучение реальных условий работы системы. К подобной ситуации можно
отнести и тот случай, когда необходимо определить работоспособность
системы с учетом отклонения ее параметров от проектных.
Повышенные требования предъявляются к методам обследования
при анализе причин аварий вследствие повреждений конструкций в процес-
се монтажа и эксплуатации, а также катастроф - аварий, повлекших за со-
бой человеческие жертвы. Проводимые обследования строительных конст-
рукций и сооружений позволяют выявить наиболее характерные дефекты и
разработать рекомендации по уточнению методов расчета тех или иных
конструкций, улучшить их конструктивные схемы, технологию изготовле-
ния и монтажа.
Эффективность методов обследования строительных конструк-
ций зданий и инженерных сооружений может быть проиллюстрирована на
примере разработки антисейсмических мероприятий при строительстве
зданий в г. Газли. Основой для разработки этих мероприятий послужили
материалы обследования построек после происшедшего в 1976г. в этом го-
роде землетрясения. Здания, построенные с использованием разработанных
антисейсмических мероприятий, при вновь происшедшем в 1984г. земле-
трясении получили лишь частичные повреждения. Происшедшее в 1985 г.
землетрясение в г. Мехико разрушило более 500 зданий, в том числе около
40 высотных, тем не менее ряд высотных зданий, находящихся в сейсмоак-
тивной зоне, не получили существенных повреждений, так как были по-
строены с учетом конструктивных решений, снижающих сейсмические эф-
фекты.
При землетрясении в 1985г. в г. Кайраккуме (Ленинабадская обл.)
пострадали от разрушения корпуса зданий первой очереди Коврового ком-
бината, запроектированного в 50-е годы без учета антисейсмических меро-
приятий. Здания, построенные позже с учетом антисейсмических меро-
приятий, не получили повреждений.
История донесла до наших дней информацию о катастрофических
землетрясениях, унесших большое число человеческих жизней в результате
24
разрушения зданий и сооружений: при землетрясении в провинции Шань-
си (Китай) в 1556 г. погибло 830 тыс. человек, в Лиссабоне (1755 г.) - 60
тыс. человек, в Мексике в 1908 г. - 100 тыс. человек, в Кванто (Япония) в
1923 г. - 140 тыс. человек.
Основная задача испытании сооружений заключается в установ-
лении соответствия между реальным поведением строительной конструк-
ции и ее расчетной схемой. Инженерные сооружения представляют собой
достаточно сложные механические системы, состоящие из большого числа
элементов, работающих в условиях сложного напряженно-деформирован-
ного состояния и образующих пространственные конструкции. Несмотря на
существенное развитие современной строительной механики, на широкое
привлечение к расчетам быстродействующей вычислительной техники, при
рассмотрении конкретных объектов, в том числе и строительных конструк-
ций, возникает необходимость идеализации расчетных схем, которые учи-
тывают лишь главные, основные свойства, характеризующие состояние
реальной конструкции. Кроме того, поведение строительных конструкций
связано с рядом факторов, носящих случайный характер, например, проч-
ностные характеристики даже такого однородного материала, как сталь,
подвержены разбросу. Так, анализ пределов текучести для стали марки
Ст.З, проведенный Н.С. Стрелецким, показал, что предел текучести может
изменяться от 200 до 320МПа. Еще больший разброс прочности имеют бе-
тон и древесина. Значительной изменчивостью характеризуются нагрузки,
действующие на строительные конструкции, здания и сооружения: собст-
венный вес, ветер и снег, крановые нагрузки и др.
Процесс изготовления отдельных элементов конструкций, их
транспортировка и монтаж также влияют на возможность появления слу-
чайных отклонений от заданных размеров. Эти отклонения регламентиру-
ются соответствующими технологическими допусками.
Цель испытаний - выявление поведения инженерных сооружений, конст-
рукций и материалов, из которых изготовлены их элементы. Испытания
могут проводиться как в лабораториях на моделях, так и на реальных объек-
тах
2. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПРОВЕДЕНИЯ
ИНЖЕНЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
2.1. Методы обследования и испытания сооружений
В условиях ускорения научно-технического прогресса происхо-
дит интенсивное совершенствование различных технологических процес-
сов. Это влечет за собой замену устаревшего оборудования на новое, высо-
копроизводительное, работающее на более высоких скоростях, что может
привести к повышению нагрузок, передаваемых на строительные конструк-
ции. Создание гибких производств связано с изменением архитектурно-
планировочных решений эксплуатируемых зданий и сооружений.
Реконструкция старого жилого фонда и приведение уровня его
комфортности к современным требованиям обусловливают необходимость
оценки действительного состояния жилых зданий. Перед инженерами-
строителями ставится задача оценки состояния эксплуатируемых строи-
тельных конструкций, зданий и сооружений, решения вопроса о возможно-
сти их дальнейшей эксплуатации или реконструкции и усиления.
Решение поставленных задач связано с обследованием конструк-
ций и сооружений, результаты которого позволяют подготовить соответст-
вующие рекомендации. На их основе проектировщики разрабатывают не-
обходимые конструктивные решения.
Обследование строительных конструкций состоит из трех основ-
ных этапов:
1) первоначальное ознакомление с проектной документацией,
рабочими и исполнительными чертежами, актами на скрытые работы;
2) визуальный осмотр объекта, установление соответствия объ-
екта проекту, выявление видимых дефектов (наличие трещин, протечек,
отслоений защитного слоя в железобетонных элементах, коррозии метал-
лических элементов, прогибов элементов, а также состояние стыков, свар-
ных, болтовых и заклепочных соединений и т. д.), составление плана обсле-
дования сооружения, проведение комплекса исследований неразрушающи-
ми методами;
3) анализ состояния сооружения и разработка рекомендаций
по устранению выявленных дефектов.
Ознакомление с проектной и исполнительной документацией
позволяет дать оценку принятым конструктивным решениям, выявить эле-
менты сооружений, работающие в наиболее тяжелых условиях, установить
значения действующих нагрузок.
Визуальная оценка сооружения дает первую исходную информа-
цию о состоянии обследуемой конструкции, позволяет судить о степени
износа элементов конструкций, дает возможность конкретизировать даль-
нейшее проведение испытания. В первую очередь это связано с применени-
ем методов испытаний, которые не приводят к разрушению отдельных эле-
ментов и конструкции в целом. Такие испытания могут проводиться как
26
при статическом нагружении конструкции, так и при динамическом воздей-
ствии нагрузок. Комплекс этих испытаний включает определение значений
геометрических параметров сооружения (пролеты, толщины, высоты и т.
д.), прочностных и структурных свойств материалов, толщины защитного
слоя бетона, расположения арматуры, прогибов и деформаций элементов,
амплитуд и периодов колебаний конструкций, ускорений отдельных точек
и др.
При обследовании сооружений широко применяются методы ин-
женерной геодезии, с помощью которых измеряются осадки зданий и со-
оружений, их сдвиги, параметры трещин и деформационных швов, прогибы
элементов конструкций. Методами инженерной фотограмметрии опреде-
ляются перемещения точек и деформации элементов конструкций при ста-
тических и динамических воздействиях. В последнее время эффективно
развиваются методы лазерной интерференции.
Аналогичные методики используются при контроле качества из-
готовления элементов строительных конструкций и их монтажа на строи-
тельных площадках.
Контроль качества изготовления элементов строительных конст-
рукций производится с использованием неразрушающих и разрушающих
методов испытаний. Однако подвергать каждое изделие испытаниям до
разрушения абсурдно, хотя при этом информация о действительной работе
изделия будет обладать 100%-ной обеспеченностью.
Неразрушающий метод не всегда даст достаточно полную харак-
теристику испытуемого объекта, поэтому два метода используются в сово-
купности. Если провести неразрушающие и разрушающие испытания опре-
деленного количества объектов, а затем сопоставить результаты испытаний,
то можно установить определенную взаимосвязь между ними.
Итак, испытания конструкций зданий и сооружений являются со-
ставным элементом обследования, но по своей методологии, аппаратурно-
му обеспечению и по методам обработки представляют самостоятельное
направление экспериментальной механики. Цель этого направления состоит
в создании методов и средств, позволяющих на базе экспериментальных
исследований получить объективную информацию о свойствах конструк-
ционных материалов, поведении элементов конструкций и действительной
работе сооружений. Никакой, даже самый точный, расчет не сможет дать
объективную информацию о действительном поведении реальных систем.
В строительной механике, теории упругости и пластичности, со-
противлении материалов излагаются самые современные методы расчета
идеализированных расчетных моделей, но любой из этих методов должен
быть построен на объективной информации, полученной из опытов. Однако
ни один из них не может быть рекомендован к использованию для практи-
ческих расчетов без его экспериментальной проверки.
Парадоксальным является то, что в рамках сформированных рас-
четных схем с использованием современных ЭВМ можно получать резуль-
таты расчета с погрешностью 10’8 и менее (это определяется числом цифр
27
значения величины, выдаваемой на цифро-печать, или точностью выдачи
информации на графопостроитель), тогда как исходная, вводимая в расчет
информация по нагрузкам, прочностным характеристикам и отклонениям
параметров действительного сооружения от его расчетной схемы характе-
ризуется погрешностью, реально определяемой в пределах до 10...20%. Это
не снижает роли современных методов теории расчета сооружений, а лишь
подчеркивает необходимость взаимной увязки точности методов расчета
сооружений с точностью исходных предпосылок, определяемых экспери-
ментом, и точностью получаемых результатов, фиксируемых при проведе-
нии эксперимента.
Существенное влияние на формирование методов и средств ис-
пытания конструкций оказывает характер изменения внешних нагрузок,
действующих на строительные конструкции, здания и сооружения. Здесь
различают статические нагрузки, которые постоянны по значению или мед-
ленно изменяются во времени, и динамические, быстро меняющиеся во
времени.
Можно сформулировать три основные задачи, которые решаются
с помощью методов и средств испытания строительных конструкций, зда-
ний и сооружений.
К первой задаче следует отнести определение теплофизических,
структурных, прочностных и деформационных свойств конструкционных
материалов, а также выделение характера внешнего воздействия, передава-
емого на конструкции.
Вторая задача связана с сопоставлением расчетных схем, усилий
и перемещений в конструкции, которые определяются расчетным путем, с
соответствующими усилиями и перемещениями, возникающими в реальной
конструкции или ее модели.
Третья згщама - идентификация расчетных моделей, которая по-
лучила развитие лишь в последние годы. Эта задача связана с синтезом
расчетных схем, который основан на анализе результатов проведенных экс-
периментальных исследований. Теоретически решение этой задачи смыка-
ется с проблемами кибернетики, в частности, с проблемой «черного ящи-
ка».
Однако в отличие от классической постановки при рассмотрении
практических задач известны некоторые характерные параметры системы, к
которым можно отнести информацию о геометрии конструкций в плане,
определяемой архитектурно-планировочным решением, о типе или харак-
тере несущих конструкций, о наборе конструктивных элементов, применя-
емых в сооружениях.
На основании анализа экспериментально полученных данных о
внешних воздействиях и реакций системы (прогибы, деформации, скорости,
ускорения) в рамках заданной расчетной модели выявляются ее параметры
и оценивается ее эксплуатационная надежность, прочность, устойчивость,
жесткость и трещиностойкость.
28
2.2. Основы метрологии и стандартизации в строительстве
В условиях ускорения научно-технического npoipecca и строи-
тельства особое значение придается унификации строительных конструк-
ций, деталей и узлов, повышению качества изготовления и монтажа строи-
тельных конструкций. Решение поставленных задач требует существенного
повышения роли метрологии и стандартизации в строительстве.
Метрология - это наука об измерениях, методах и средствах
обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. В
метрологии рассматриваются: общая теория измерений, единицы физичес-
ких величин и их системы, методы и средства измерений, методы опреде-
ления точности измерений, основы обеспечения единства измерений и еди-
нообразия средств измерений, методы передачи размеров единиц от этало-
нов или образцовых средств измерений к рабочим средствам измерений.
Метрология является научной основой метрологического обеспе-
чения, под которым понимают установление и применение научных и орга-
низационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для
достижения единства и требуемой точности измерений. Метрологическое
обеспечение включает следующие системы:
1) государственных эталонов единиц физических величин, обес-
печивающих воспроизведение единиц с наивысшей точностью;
2) передачи размеров единиц физических величин от эталонов
всем средствам измерений с помощью образцовых средств измерении и
других средств поверки;
3) разработки, постановки на производство и выпуска в обраще-
ние рабочих средств измерений, обеспечивающих определение с требуемой
точностью характеристик продукции, технологических процессов и других
объектов в сфере материального производства, научных исследований и
других видов деятельности;
4) разработки стандартных справочных данных о физических
константах и свойствах веществ и материалов, обеспечивающих достовер-
ными данными научные исследования, разработку технологических про-
цессов получения и использования материалов и конструкций.
Кроме того, в метрологическое обеспечение входят:
- государственные испытания или метрологическая аттестация
средств измерений, предназначенных для серийного или массового произ-
водства и ввоза их из-за границы партиями, обеспечивающими единообра-
зие средств измерений при их разработке и выпуске в обращение;
- обязательная государственная и ведомственная поверки
средств измерений, обеспечивающие единообразие средств измерений при
изготовлении, эксплуатации и ремонте, а также установление стандартных
образцов состава и свойств веществ и материалов, обеспечивающих вос-
произведение единиц величин, характеризующих состав и свойства веществ
и материалов.
29
Определим основные понятия, связанные с поверкой средств из-
мерений.
Поверка средств измерений - это определение метрологически-
ми органами погрешностей средств измерений и установление их пригод-
ности к применению. Различают государственную (производится органами
государственной метрологической службы) и ведомственную (производит-
ся органами ведомственных метрологических служб) поверку средств из-
мерений.
Метрологическая аттестация средств измерений - исследова-
ние средств измерений, выполняемое метрологическими органами для оп-
ределения метрологических свойств этих средств измерений, и выдача до-
кумента с указанием полученных данных.
Поверочная схема - это утвержденный в определенном порядке
документ, устанавливающий средства, методы и точность передачи размера
единицы физической величины от эталона к рабочим средствам измерений.
Различают общегосударственные и локальные (отдельных органов метро-
логической службы) поверочные схемы.
Средства поверки - это технические средства, необходимые для
осуществления поверки средств измерений в соответствии с требованиями
нормативно-технических документов на методы и средства поверки. Сред-
ства поверки включают в себя рабочие эталоны, образцовые средства изме-
рений, в том числе стандартные образцы и образцовые меры, вспомога-
тельные приборы, устройства и материалы, поверочные приспособления.
Средства измерений - это технические средства, используемые
при измерениях и имеющие нормированные метрологические характерис-
тики. Они состоят из системы мер, измерительных приборов и преобразова-
телей, а также измерительных установок и систем.
Под измерительным прибором понимают средство измерения,
предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в
форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателя. Изме-
рительный преобразователь - средство измерения, предназначенное для
выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для пере-
дачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддаю-
щейся непосредственному восприятию с помощью наблюдения.
Измерение - это процесс нахождения какой-либо физической ве-
личины с помощью технических средств и сравнения её с эталоном. Изме-
рение включает следующие элементы: объект измерения, свойства или со-
стояние которого характеризует измеряемая величина; единицу измерения;
техническое средство измерения, градуированное в выбранных единицах;
метод измерения; регистрирующее устройство, воспринимающее результат
измерения; окончательный результат измерения.
Измерения характеризуются рядом параметров:
• погрешностью измерения - разностью между истинными и из-
меренными значениями величин;
30
• точностью измерения - степенью приближения результатов из-
мерения к истинному значению;
• достоверностью измерения - вероятностью отклонения измере-
ния от истинного значения;
• диапазоном измерений - областью значений измеряемой вели-
чины, для которой нормированы допускаемые погрешности средств изме-
рений;
• ценой деления шкалы - разностью значений величины, соответ-
ствующей двум соседним отметкам шкалы;
• пределом измерений - наибольшим и наименьшим значениями
диапазона измерений;
• чувствительностью измерительного прибора - отношением из-
менения сигнала на выходе измерительного прибора к вызвавшему его из-
менению измеряемой величины.
Различают три класса измерений: особо точные, высокоточные и
технические. Особо точные связаны с установлением эталона. Высоко-
точные измерения проводятся при градуировании измерительных систем,
а также при проведении измерений в особо ответственных испытаниях.
Технические применяются в практике испытаний строительных конструк-
ций.
Всякое измерение неизбежно связано с погрешностями измере-
ний. Погрешности, порожденные несовершенством метода измерений, не-
точной градуировкой и неправильной установкой измерительной аппарату-
ры, называют систематическими. Систематические погрешности исклю-
чают введением поправок, найденных экспериментально. В настоящее вре-
мя для устранения систематических погрешностей применяется микропро-
цессорная техника.
Случайные погрешности обусловлены влиянием на результаты
измерений неконтролируемых факторов (случайные колебания температу-
ры, вибрация и т. д.). Такие погрешности оцениваются методами математи-
ческой статистики по данным многократных измерений. При измерениях
могут возникать грубые ошибки* вызванные неисправностью измеритель-
ных систем, ошибками регистратора и т.д. Эти ошибки также могут быть
выявлены методами математической статистики.
Проблемы метрологического обеспечения измерений неразрывно
связаны с задачами, стоящими перед стандартизацией.
Стандартизация - это установление и применение правил для
упорядочения деятельности в определенной области на пользу и при учас-
тии всех заинтересованных сторон, в частности, для достижения всеобщей
оптимальной экономии при соблюдении функциональных условий и требо-
ваний техники безопасности.
Объектами стандартизации являются конкретная продукция,
нормы, требования, методы, термины, обозначения и т. д., имеющие пер-
спективу многократного применения, используемые в науке, технике, стро-
ительстве. В строительстве стандартизации подлежат методы расчета и
31
проектирования конструкций и сооружений, требования к материалам и
изделиям, допуски на стадии монтажа и строительства конструкций зданий
и сооружений, методы испытаний и проведения измерений, методы пред-
ставления и обработки получаемых результатов измерений и т. д.
В зависимости от сферы действия стандарты разделяются на че-
тыре категории: государственные (ГОСТ), отраслевые (ОСТ), республикан-
ские (РСТ) и стандарты предприятий (СТП). Государственные стандарты в
области строительства и строительных материалов утверждаются Госстро-
ем. В настоящее время проводится большая работа по переработке отечест-
венных стандартов в соответствии с международными требованиями и
международными стандартами.
В области строительства наряду со стандартами действуют строи-
тельные нормы и правила (СНиП). Эти документы содержат отдельные об-
щие элементы, но в целом они существенно различны. СНиПы устанавли-
вают требования ко всей строительной продукции и содержат нормы строи-
тельного проектирования, тогда как ГОСТы содержат требования к строи-
тельным материалам и изделиям массового производства, методам испыта-
ния материалов и конструкций, измерений, обработки и представления ре-
зультатов.
В зависимости от содержания стандарты подразделяются на 13
отдельных видов. С точки зрения освидетельствования и испытания конст-
рукций и сооружений наибольший интерес представляют следующие:
1) стандарты технических условий, которые, в частности, содер-
жат всесторонние требования к продукции при ее изготовлении, поставке и
эксплуатации, регламентируют методы испытаний, правила приемки;
2) стандарты технических требований, которые нормируют по-
казатели качества, надежности и долговечности продукции, устанавливают
срок службы и т. д.;
3) стандарты методов испытаний, которые включают требова-
ния о порядке отбора проб или образцов, методы испытаний материалов и
изделий, используемые для оценки качества продукции; эти стандарты
обеспечивают единство методов и средств испытаний; в стандартах на ме-
тоды испытаний содержатся также требования к измерительным приборам,
инструментам и установкам, используемым для контроля показателей каче-
ства изделий;
4) стандарты правил приемки, маркировки, упаковки, транспор-
тирования и хранения, которые регламентируют, в частности, порядок при-
емки изделий, вид и программу испытаний при приемке.
В большинстве строительных стандартов даны совмещающие
данные, свойственные стандартам нескольких видов. Стандарты сущест-
венно влияют на темпы развития и уровень производства. Базируясь на по-
следних достижениях науки, техники и практического опыта, стандартиза-
ция во многом не только фиксирует достигнутый уровень производства, но
и является одним из рычагов прогресса науки и техники.
32
2.3. Основные метрологические характеристики
средств измерений
При испытании сооружений и их моделей получение информации
о работе изучаемой системы основано на измерении физических величин с
помощью технических средств. Достоверность полученных эксперимен-
тальных данных зависит от выбранных параметров средств измерений, от
того, в какой мере метрологические характеристики средств измерений от-
вечают требованиям проводимого эксперимента.
К основным параметрам, характеризующим средства измерения,
относятся: статическая градуировочная характеристика, чувствительность
измерительного прибора (преобразователя), коэффициент преобразования,
порог чувствительности, диапазон измерений, информативность, динами-
ческие характеристики - амплитудно- и фазочастотная, переходная, а также
время установления показаний.
Вид функции преобразования средства измерений определяет его
градуировочная характеристика, устанавливающая зависимость между зна-
чениями величины на входе и выходе. Такая зависимость представляется в
виде таблицы, формулы или графика (рис.2.1).
Отношение изменения сигнала на выходе измерительного прибо-
ра Д6 к вызывающему его изменению на входе ДХ - называется чувстви-
тельностью прибора S. Если градуировочная характеристика преобразова-
теля линейна, то его чувствительность может определяться коэффициен-
том преобразования Kn = G/X. Протяженность линейного участка - диапа-
зон измерений Du - зависит от свойств измерительного прибора и от допус-
каемой, т. е. нормированной для данного средства измерения погрешнос-
ти S (рис.2.1).
Рис. 2.1. Статическая
градуировочная характеристика
2- 14
33
Верхний и нижний пределы измерения определяются уровнем
принятой погрешности измерений. За нижний предел - порог чувствитель-
ности Лп - принимается минимальное значение измеряемой величины, при
котором обнаруживается сигнал на выходе прибора.
Диапазон измерений и порог чувствительности позволяют опре-
делить обобщенную характеристику средства измерения - его информатив-
ность или разрешающую способность Q.:
a = ln(DJ2^> (2.1)
которая тем больше, чем шире диапазон и ниже уровень суммарной по-
грешности используемого комплекса измерительных средств.
При динамической градуировке измерительных преобразователей
регистрируется их реакция на эталонные сигналы в виде гармонических
колебаний различной частоты или импульсных воздействий. В условиях
установившихся гармонических колебаний получают амплитудно-
частотную характеристику и устанавливают степень нелинейности ампли-
тудной характеристики.
Амплитудно-частотная характеристика представляет зави-
симость чувствительности градуируемого средства измерений от частоты
колебаний, а степень нелинейности - зависимость чувствительности от ам-
плитуды сигнала при фиксированной частоте.
На рис.2.2,а показана амплитудно-частотная характеристика из-
мерительного прибора. Ординаты кривой представляют собой отношение
чувствительности на рассматриваемой частоте к Кп, полученному при ста-
тической градуировке. Нижний предел диапазона fH так же, как и верхний
предел fB частотной характеристики, определяются заданным допуском Дс
нормированной погрешности относительно средней частоты соответству-
ющих диапазонов.
Переходная характеристика приборов устанавливает связь
между заданным скачкообразно изменяющимся во времени входным сиг-
налом и мгновенным значением выходного сигнала. На рис.2.2,б приведе-
на переходная характеристика акселерометра. Ординаты кривой 1 пред-
ставляют собой отношение сигнала на выходе к его установившемуся зна-
чению Ху. Входной сигнал показан приближенно в виде прямоугольного
импульса 2. Искажение фронта импульса характеризуется временем уста-
новления показаний и пиковым значением переходной характеристики Хп.
За время установления показаний принимается промежуток времени ty с
момента скачкообразного изменения измеряемой величины до момента,
когда значение выходного сигнала войдет в зону установившегося состоя-
ния (заданной ширины 0У).
Инструментальная погрешность отражает конструктивные
особенности измерительного преобразователя и включает погрешности его
градуировки.
Методические погрешности возникают от того, что первичный
преобразователь неправильно воспринимает или искажает измеряемую вс-
34
личину. Эти погрешности могут быть обусловлены, например, несоответст-
вием между размером базы тензометра и градиентом измеряемой деформа-
ции, а также влиянием прибора на исследуемые свойства объекта. Каким
бы идеальным ни был тензометр с точки зрения линейности и
чувствительности, но помещенный внутрь твердого тела, он в той или иной
степени вносит искажение в исследуемое напряженное состояние. Выход-
ной сигнал такого тензометра отражает искаженное им деформированное
состояние, а не то, что существовало бы в исследуемой области при
отсутствии тензометра.
Рис. 2.2. Характеристики измерительных преобразователей
В приведенных примерах причина погрешности полученных ре-
зультатов заключена в самом методе измерения. Для анализа методических
погрешностей требуется проведение теоретических исследований, а также
разработка специальных метрологических приемов и образцовых уст-
ройств, которые воспроизводили бы все специфические условия и особен-
ности данного измерения.
На работу измерительных приборов оказывают влияние внешние
факторы - атмосферные, температурные, электрические помехи и др. В ла-
бораторных условиях влияние этих факторов можно снизить до допусти-
мых пределов. Суммарная погрешность средства измерения, возникающая
при нормальных условиях аттестации прибора (при температуре воздуха
20°С, влажности 60% и др.), называется основной погрешностью. Измене-
35
2*
ние погрешности преобразователя, вызванное помехами, рассматривается
как дополнительная погрешность.
Дополнительные погрешности приводятся обычно в виде коэф-
фициентов или функций влияния 'Р(^), которые нормируются отдельно
для каждого влияющего фактора: температуры, влажности и т. д.
Основная и дополнительная погрешности включают случайные и
систематические составляющие.
Случайная составляющая погрешности измерений возникает
по неизвестным причинам и проявляется в том, что при повторных измере-
ниях постоянной величины получают различные ее значения, т. е. имеет
место некоторый разброс значений результатов измерений. Для уменьше-
ния случайной составляющей погрешности измерения увеличивают число
повторных измерений, статистическая обработка которых позволяет усред-
нить полученные результаты и выделить среднее значение случайных от-
клонений. Уменьшать случайную составляющую погрешности целесооб-
разно до тех пор, пока средняя квадратическая ошибка не окажется значи-
тельно меньше величины систематической погрешности. Необходимое
число повторных отсчетов можно установить только после оценки суммар-
ной систематической погрешности средств измерений.
Систематическую погрешность вызывает неправильно опреде-
ленная чувствительность, несовпадение градуировочных характеристик при
прямом и обратном ходе (гистерезис) и пр. Систематические погрешности
вызывают также постоянно действующие влияющие факторы. В метроло-
гии разработаны специальные приемы, позволяющие снизить или исклю-
чить из результата измерений ряд систематических погрешностей. К таким
приемам относятся:
1) стабилизация параметров средств измерений, т. е. выбор ста-
бильных режимов работы прибора, предварительное старение нестабиль-
ных элементов и др.;
2) защита прибора от действия влияющих величин или стабилиза-
ция значений влияющих величин: гидроизоляция, экранирование магнит-
ных полей, надежность источников питания и т. д.;
3) автокомпенсация погрешностей по знаку, что позволяет извест-
ную по природе погрешность вводить в результат измерения дважды, но с
разными знаками;
4) проведение вспомогательных измерений влияющих величин, что
дает возможность при известной функции влияния вносить в результаты
измерений поправки.
Широкое применение находит и так называемый способ замеще-
ния, заключающийся в том, что в процессе эксперимента вместо измеряе-
мой величины производится периодическое подключение образцовой меры.
Получаемые при этом отклонения измеренных значений меры от ее дейст-
вительной величины характеризуют изменение масштаба преобразования и
используются для внесения поправок в результаты измерений.
Указанные приемы исключения систематических погрешностей
36
будут проиллюстрированы при рассмотрении конкретных измерительных
средств.
При проведении испытаний непосредственно измеряются физичес-
кие величины: перемещение, скорость перемещения, ускорение, деформа-
ция и др. Вместе с тем, механическое напряжение ах, внутренние усилия в
сечении (изгибающий момент Мх, поперечная сила Qx) не могут быть непо-
средственно измерены и для их определения в эксперименте необходимо
воспользоваться аналитическими выражениями, устанавливающими связь
между стх, Мх, Qx и измеряемыми физическими величинами.
С помощью косвенных измерений устанавливают фактическую
жесткость Е1Х изгибаемых элементов, жесткость узлов, податливость опор-
ных закреплений и другие параметры, характеризующие действительную
работу конструкций. Поскольку при проведении косвенных измерений ис-
пользуется зависимость искомой величины у от непосредственно измеряе-
мых -XhX2,..., хП9
y = f(x,,x3,...,x„), (2.2)
то достоверность результата будет зависеть не только от инструментальной
погрешности измерений величин X/, Х2,..., хП9 но и от того, в какой степени
выражение (2.2) соответствует действительным условиям работы элемента
конструкции, т.е. от методической погрешности.
Инструментальную погрешность, косвенно определяемой величины
можно вычислить по формуле:
Ду / у = 1х [(Э 1пу /дх i )Дх / » (2-3)
V/
где Дхь Дх2,..., Дхп - абсолютные погрешности измерений величин X/, х2,...,
хп зависимости (2.2).
2.4. Основы теории планирования эксперимента
• Первым этапом планирования эксперимента является построение
математической модели исследуемого явления. Для этого необходимо ус-
тановить соотношения между изучаемыми параметрами и измеряемыми
величинами, что позволяет обоснованно подобрать средства измерения,
уровень допустимых погрешностей, выбрать способ обработки опытных
данных и форму представления результатов исследования.
Процедура построения математической модели зависит от задач эк-
сперимента и основывается на анализе априорной информации об исследу-
емом явлении. Если еще не получены соответствующие уравнения, описы-
вающие изучаемое явление, то на основе априорной информации составля-
ют перечень всех возможных величин, которые могут быть существенными
для рассматриваемого явления, и математическую модель записывают в
виде зависимости (2.2), где измеряемые независимые переменные х/,
х2,..., х„ в терминах теории планирования эксперимента называются факто-
37
--------------------------
рами, результаты эксперимента у - параметром оптимизации (откликом), а
f - функцией отклика.
После того как сформулированы задачи исследования и составлена
модель изучаемого явления, должны быть установлены: область определе-
ния факторов; способы их измерения; число уровней и значения интервалов
варьирования каждого фактора.
Область определения факторов, как правило, ограниченна. Ограни-
чением верхнего предела является, например, некоторый предельный уро-
вень возможных деформаций (перемещений), а нижнего предела - точность
измерения. Чем ниже точность измерений, тем меньше возможное число
дискретных значений или уровней фактора.
Назначение числа уровней факторов зависит также от характера
функции отклика. В случае, когда функция отклика известна, уровни выби-
рают такими, чтобы получить значения экспериментальных данных вблизи
характерных точек (например, в области ожидаемого перехода в пластичес-
кую область деформирования, появления микротрещин, состояния потери
устойчивости и т.д.). Если для описания исследуемого явления принимается
линейная модель, то достаточно установить лишь два уровня: верхнюю и
нижнюю границу интервала варьирования. В относительных координатах,
отнесенных к значению интервала варьирования факторов, эти уровни обо-
значаются +1 и -1 (или просто « + » и « - »). Уровни, записанные в таких
обозначениях, называются нормированными.
Таким образом, область определения факторов и принятое число
уровней позволяют установить факторное пространство плана. Каждая ось
факторного пространства соответствует одному фактору, а совместная об-
ласть определения образует к-мерный объем (к - число независимых факто-
ров).
Составим план проведения однофакторного эксперимента, в кото-
ром одна независимая варьируемая переменная х и одна зависимая (измеря-
емая в процессе испытаний) переменная у, например, определение модуля
упругости стали при растяжении образца. Здесь варьируемой переменной
является нагрузка или напряжение о, действующее в образце, а зависимая
переменная с - деформация, измеряемая в процессе нагружения. Поскольку
само понятие модуля упругости предполагает линейную зависимость о-е, то
математическую модель результата опыта можно представить в виде:
у = ао + Ьх. (2.4)
Переменную х достаточно варьировать на двух уровнях (+1 и -1)
но в общем случае, когда необходима проверка пригодности модели, число
уровней увеличивают до трех, четырех. Нижняя граница интервала варьи-
рования х определяется, как отмечалось, погрешностью измерения зависи-
мой переменной у, а верхний уровень в данном опыте имеет конкретный
физический смысл: это предполагаемый предел пропорциональности испы-
тываемого материала апц.
38
Рассматриваемый эксперимент относится к категории воспроиз-
водимых экспериментов, т. е. один и тот же образец можно нагружать, мно-
гократно возвращаясь всякий раз к его исходному состоянию.
Согласно принятой модели (2.2) изучаемого явления при аппрок-
симации результатов опытов некоторой прямой должно выполняться усло-
вие:
yi-a0-bxl = 0. (2.5)
Однако при подстановке в данное уравнение фактических значе-
ний у, yl Xi в силу рассеивания результатов это условие примет вид:
у,- а0 - bxi = 8i, i = 1, 2, 3, ...» л, (2.6)
где Ь, - отклонения от центра распределения;
. i - номер опыта; п - число опытов.
Прямая, проходящая вблизи множества экспериментальных точек
должна занимать положение, при котором сумма квадратов отклонений от
этой прямой минимальна:
2?<5/ = тш. (2.7)
Преобразование и решение системы уравнени!. дает для искомых
коэффициентов выражения (2.2) следующие расчетные формулы:
(2.8)
«О »
nZx<! )2
п^У'х<~^У^х- (2.9)
Метод наименьших квадратов с успехом применяется и в случае
аппроксимации нелинейных зависимостей, когда ставится задача отыскания
функции, отражающей осредненную зависимость величины у от х. Такая
функция называется регрессией, а связанный с этим методом регрес-
сионный анализ является основным инструментом обработки опытных
данных при планировании эксперимента.
Ь рассмотренных планах учитывались ошибки измерения лишь
одной переменной у, а значения независимой переменной х принимались
строго фиксированными. В действительности, например при варьировании
нагрузки, показания динамометра могут зависеть от того, получено ли за-
данное усилие в процессе увеличения или уменьшения нагрузки, при не-
прерывном или ступенчатом нагружении. Для компенсации таких факторов
используют прием рандомизации последовательности нагружения, заклю-
чающийся в том, что при повторных испытаниях уровни нагружения назна-
чаются в произвольной последовательности.
Если эксперимент невоспроизводимый, как в случае получения
39
диаграммы деформирования материала, то сама последовательность нагру-
жения не может быть назначена произвольно, поэтому в таком эксперимен-
те может быть применен только последовательный план. Однако и здесь
при проведении повторных опытов возможна рандомизация условий экспе-
римента с целью усреднения влияния внешних неконтролируемых факто-
ров или факторов, которые не учитываются принятой математической мо-
делью исследуемого явления.
Например, при испытании образцов для получения диаграммы
деформирования бетона экспериментатор располагает кубиками четырех
типоразмеров. Для сокращения времени проведения эксперимента кубики
предполагается испытывать параллельно на четырех прессах разной мощ-
ности. При этом известно, что и масштабный фактор, и различие накоплен-
ной упругой энергии в системе «образец-машина» оказывают влияние на
результаты испытаний. Однако учесть влияние этих факторов не представ-
ляется возможным: эксперимент по-прежнему однофакторный и внешние
переменные необходимо компенсировать. Рандомизированный план такого
эксперимента составляется в зависимости от марки испытательного пресса,
типа деформометров и типоразмеров образцов и имеет следующий вид
(табл. 2.1).
Таблица 2.1
Рандомизированный план эксперимента
Марка испыта- тельного пресса Тип деформометра
I и 1 пГ IV
Типоразмер образцов
1 2 3 । 4
в 3 4 1 2
с 2 1 4 3
д 4 3 2 1
Из таблицы видно, что каждый вариант испытаний встречается
только один раз. Построенный план эксперимента называется латинским
квадратом.
В рассматриваемом однофакторном эксперименте результаты,
полученные для каждой комбинации факторов, необходимо усреднить.
Планы подобного типа могут быть использованы и в многофакторном экс-
перименте: в сочетании с дисперсионным анализом они позволяют иссле-
довать фактическое влияние на результаты испытаний каждого фактора в
отдельности.
Многофакторный эксперимент. Если изучаемое явление опи-
сывается функцией нескольких независимых переменных, то такой экспе-
римент называется многофакторным и при его планировании используют
либо факторный план, либо классический план. Классический план строит-
ся так, чтобы в каждом опыте варьировалась лишь одна переменная, а зна-
40
чения всех остальных независимых переменных поддерживались на опре-
деленном, постоянном уровне. Поочередно варьируя каждую независимую
переменную, устанавливают исследуемые зависимости. Например, изучает-
ся зависимость механических характеристик материала от температуры
испытания. Это - двухфакторный эксперимент, математическую модель
которого y=(p(x,z) можно представить в виде последовательности отдель-
ных функций у-(р(х) при различных значениях параметра z. С этой целью
в пределах изучаемого температурного диапазона устанавливают необхо-
димое число уровней переменной z и затем для каждого температурного
уровня проводят испытание образцов в заданных изотермических условиях.
Таким образом, классический план многофакторного эксперимен-
та представляет собой совокупность однофакторных экспериментов. Тако-
му подходу свойственны следующие недостатки.
Во-первых, не всегда удается стабилизировать все независимые
переменные и поддерживать их значения на заданном уровне.
Во-вторых, при равных объемах экспериментов, построенных по
схеме классического и факторного плана, точность последнего существенно
выше.
Кроме того, факторное планирование позволяет исследовать
сложные системы, в которых последовательно разграничить влияние пере-
менных практически невозможно. Приведем основные понятия факторного
планирования и примеры использования факторных планов при опре-
делении внутренних усилий в стержневых системах. Пусть изучаемый па-
раметр у линейно связан с к независимыми переменными х/, х2, ...» х*. Урав-
нение регрессии записывается в виде:
у = аохо + п/Х/ + ... + акхк„ (2.10)
где хо - переменная, введенная для оценки свободного члена а0.
Эту задачу можно решать однофакторным методом, варьируя
каждую переменную по очереди. Если при этом для каждой переменной
сделано т повторных опытов и переменные варьируют только на двух
уровнях +1 и -1, то коэффициенты регрессии а, = tgfi (рис. 2.3) оценивают-
ся по результатам двух опытов:
ъНугУаЖ, (2.11)
а дисперсия коэффициентов регрессии определяется как
Slai = Sl/2m, (2.12)
где S2^ характеризует погрешность измерения параметра у при условии, что
и каждом опыте погрешность измерения одинакова.
Следовательно, значения S2^, не зависят от общего числа пере-
менных х*, поскольку каждая переменная изучается в отдельности.
Изменим план эксперимента. Пусть в каждом опыте варьиру-
ются все переменные сразу. Рассмотрим для определенности трехфактор-
ный эксперимент и воспользуемся матрицей планирования, приведенной в
табл. 2.2.
41
Рис. 2.3. Схема оценки коэффициена регрессии при
варьировании переменной на двух уровнях
Таблица 2.2
Матрица планирования
Номер опыта Фаю горы
Хо Xi Х2
1 + 1 -1 -1 + 1
2 + 1 +1 -1 -1
3 + 1 -1 *4“ J -1
4 + 1 + 1 +1 +1
Из таблицы видно, что минимальное число опытов равно четырем
(3+1), то есть на один больше числа независимых переменных. Особен-
ностью такого плана является то, что все коэффициенты регрессии могут
быть определены независимо друг от друга по формуле:
а, = 2хцу/(к+1),
(2-13)
где у, - значение измеряемого параметра в j-м опыте,
к - количество факторов,
Xjj - значение /-го фактора ву-м опыте.
Дисперсии оценок коэффициентов регрессии вычисляются как
S2* = Sf/fk+l).
(2.14)
Возвращаясь к рассмотрению линейной задачи с тремя независи-
мыми переменными, сравним значения коэффициентов регрессии в случае
применения однофакторного и многофакторного плана.
При одинаковом общем числе опытов дисперсия коэффициентов
регрессии многофакторного плана равна:
Л,= S2/^),
т.е. в 2 раза меньше, чем в первом случае.
42
Если число независимых переменных А=7, то применение много-
факторного планирования дает выигрыш в точности по сравнению с клас-
сическим планом в 4 раза. Следовательно, с ростом числа независимых пе-
ременных эффективность многофакторного эксперимента возрастает.
Таким образом, при выборе плана эксперимента одним из крите-
риев его оптимальности является минимум дисперсии коэффициентов рег-
рессии исследуемой модели.
В полном факторном плане реализуются все возможные комби-
нации уровней всех независимых переменных. Так, при двух переменных,
варьируемых на двух уровнях, план состоит из четырех опытов, матрица
планирования которых подобна табл. 2.2, где столбец х3 заменен столбцом
xtx2. Результаты эксперимента можно представить неполным квадратным
уравнением в виде:
У = aoxo+alXi^a2x2^ai2XJX2, (2.15)
которое содержит один нелинейный член al2xix2. Коэффициент а/2 является
оценкой эффекта взаимодействия факторов х/ и х2.
Планы такого вида называются полным факторным эксперимен-
том типа 2*, где к - число независимых переменных, а 2 - число уровней
варьирования переменных.
Пример составления плана полного факторного эксперимента
L Определение внутренних усилий в сечении стержня. С пози-
ций планирования полного факторного эксперимента рассмотрим задачу об
определении внутренних усилий в сечении стержня. С этой целью в про-
цессе эксперимента предполагается определить в п точках нормальные на-
пряжения Gj. Пусть связь между действующими в сечении внутренними
усилиями N, Мх, Mv и нормальными напряжениями линейна. Функция от-
клика (математическая модель) в этом случае известна:
ffj = NA'1 + MyJ,' + MyXjly', (2.16)
где yjf Xj - координаты точек измерения Cfy; А - площадь сечения; 1Х, 1у -
моменты инерции относительно соответствующих осей.
При решении этой задачи классический план применить нельзя,
поскольку разделить переменные, т. е. фиксировать в эксперименте значе-
ние каждого внутреннего усилия по отдельности невозможно.
В уравнении (2.16) контролируемые переменные х7 и достаточ-
но варьировать лишь на двух уровнях (к - 2), поскольку уравнение (2.16)
линейное. Таким образом, можно воспользоваться планом типа 22. Для того
чтобы уровни варьирования привести к нормализованному виду (+1,-1),
преобразуем масштаб факторного пространства. Положение центра плана
относительно главных осей сечения найдем по формулам:
ye=Z/^/4; х0 = //2л/4. (2.17)
43
Масштабы в направлении осей у и х получим из выражений:
к>= (2-18)
I I
к»=Жл'^о)2/4> (2-19)
V ।
а переход к нормализованным уровням переменных произведем по форму-
yoj = (У)1х‘ -Уо)Л<у\ (2.20)
xOj = (xjly' -х0)/кх. (2.21)
При этом область планирования оказывается заданной координа-
тами вершин квадрата (рис.2.4). Полученные таким способом координаты
точек установки тензометров максимально удалены от центра плана, что
позволяет полностью использовать факторное пространство и обеспечить
минимальную дисперсию коэффициентов регрессии.
Рис. 2.4. Графическое
изображение заданной
вершинами квадрата
области планирования
Сравнивая уравнение регрессии (2.15) плана типа 22 и математи-
ческую модель исследуемого явления (2.16), нужно отметить, что в послед-
ней взаимодействие координат и xj не имеет реального смысла, поэтому
коэффициент а]2—>0 и матрица планирования принимает вид, приведенный
в табл.2.3. Здесь число опытов (к + 1) равно 4.
Таблица 2.3
Матрица планирования
Номер опыта Факторы
Хо У, Xj
1 4- | -1 -I
2 + 1 +1 -1
3 + 1 -1 4*1
4 + 1 + 1 +1
Такой план называется ненасыщенным', кроме оценки всех неиз-
вестных, он позволяет также произвести проверку адекватности выбранной
математической модели.
По результатам опытов искомые оценки внутренних усилий на-
ходят из выражений:
МОх = EOjyo/n; (2.22)
Моу = XGjXo/n. (2.23)
Поскольку нормальное усилие N не зависит от координат измере-
ния а, то его оценку вычисляют как
Переход от Мох Моу, вычисленных в нормализованных пере-
менных, к реальным значениям оценок N, Мх Му осуществляют по форму-
лам:
№ = NoA; (2.25)
Мх = МОхку-'; (2.26)
Му = Моукх-'. (2.27)
Для проведения статистического анализа уравнений регрессии
необходимо располагать результатами параллельных и повторных измере-
ний. Для проведения параллельных измерений в каждой исследуемой точке
сечения устанавливают несколько измерительных приборов. Воспроизво-
димые эксперименты, например, исследование работы конструкции в упру-
гой стадии деформирования позволяют реализовать и повторные, и парал-
лельные измерения.
Невоспроизводимые эксперименты допускают постановку только
параллельных измерений. Поскольку оценка дисперсии результата измере-
ний зависит от объема повторных или параллельных измерений, то мини-
мальное их число должно быть не менее 3. Оценка дисперсии результатов
измерения, считая результатом измерения напряжения guj в каждой и-й
точке установки, вычисляется по формуле:
s’ = 1), <2-28)
где т - число повторных опытов;
Ои - среднее значение напряжения в точке и.
Для получения усредненной оценки, характеризующей рассеяние
результатов по всему исследуемому сечению в целом, вычисляется диспер-
сия
(2-29)
<=/ 7=/
где п - число не дублированных точек измерения в сечении.
45
Дисперсии оценок внутренних усилий вычисляют по формуле:
SON ~ $ОМ ~ П » (2.30)
если переменные представлены в нормализованном виде, и по формулам:
(2-3D
/=/
в случае реальных значений оценок.
Из выражения (2.31) следует, что точность оценок внутренних
усилий повышается пропорционально сумме квадратов координат установ-
ки тензометров, т. е. минимизацию оценок дисперсий дает план, в котором
значения координат размещения измерительных средств (х7, уу) по модулю
максимальны. Помимо нахождения оценок внутренних усилий, статистиче-
ский анализ рассматриваемых уравнений регрессии включает проверку
значимости оценок найденных усилий, а также определение для них дове-
рительной области и проверку адекватности полученных уравнений регрес-
сии исходной математической модели.
2, Проверка значимости оценок. Если при планировании рас-
смотренного эксперимента перечень неизвестных внутренних усилий не
может быть составлен с полной определенностью, то в уравнение регрессии
следует включить максимально возможное их число; проверка значимости
позволит исключить несущественные внутренние усилия. Основой для
оценки значимости искомых неизвестных служит построение для них дове-
рительных интервалов
М = Ч,,-Л . (2.32)
где 0j - соответствующее внутреннее усилие,
tp.n-k - значение критерия Стьюдента при выбранном уровне значимости
(обычно 5%) и числе степеней свободы, равном п-ку
к - число независимых переменных.
Если абсолютное значение доверительного интервала превышает
абсолютное значение соответствующего усилия, то последнее признается
незначимым и исключается из уравнения регрессии. При независимом оце-
нивании достоверности каждого найденного усилия используются полу-
ченные доверительные интервалы (2.32), которые с заданной вероятностью
Р определяют область возможных значений этих усилий:
р.п-к $0t •
+ tp.n-kS()t •
(2.33)
т. е. характеризуют надежность найденных оценок.
3. Проверка адекватности полученных уравнений регрессии ис-
ходной математической модели. Если по условию стержень работает в ли-
нейной области деформирования и математическая модель (2.16) известна,
то такая проверка не требуется. Если на стадии планирования эксперимента
46
вид математической модели неизвестен, то проверка адекватности обяза-
тельна; она производится с помощью критерия Фишера F,
где Sa - дисперсия, вычисляемая по (2.29);
Sad - дисперсия, характеризующая рассеяние результатов эксперимента
относительно найденного уравнения регрессии, вычисляется по формуле:
(2-35)
где д f - напряжение, вычисленное для у-го опыта с помощью уравнения
регрессии; - напряжение, полученное экспериментально.
Значение критерия Фишера сравнивают с табличным значением
для выбранного (обычно 5%) уровня значимости. Такие таблицы приведены
в любой литературе по математической статистике. Для отыскания таблич-
ного значения критерия F нужно также знать числа степеней свободы, ко-
торые использовались при вычислении дисперсии и SJ. Согласно вы-
ражениям (2.29) и (2.35) эти числа
f, = П (т-1); (2.36)
f2=n-(k+l).
Гипотеза адекватности принимается, т. е. рассматриваемую мо-
дель следует признать адекватной, если расчетные значения критерия F не
превышают табличного значения.
2.5. Конструктивные и технические особенности
измерительных средств
При проведении испытаний сооружений и их моделей обычно вы-
полняются измерения большого числа параметров, характеризующих и про-
цесс нагружения, и поведение элементов конструкции под нагрузкой.
Такими параметрами являются силовые и температурные воздействия, ли-
нейные и угловые перемещения элементов конструкции, скорость переме-
щений, ускорение и др. Измерение компонентов относительных деформа-
ций позволяет определять напряженное состояние и внутренние усилия,
действующие в исследуемых сечениях. Для измерения перечисленных па-
раметров используются десятки видов приборов и измерительных преобра-
зователей, основанных на различном принципе действия, отличающихся
конструктивным решением, чувствительностью, измерительным диапазо-
ном и другими характеристиками.
Требования, предъявляемые к используемой аппаратуре, опреде-
ляются, прежде всего, задачами проводимых испытаний. При проведении
47
натурных испытаний предпочтение отдается приборам, которые могут быть
быстро установлены на объектах, имеющих автономное электрическое пи-
тание, достаточно широкий измерительный диапазон. Эти качества дости-
гаются в некоторых случаях за счет снижения чувствительности приборов и
применения простейших механических преобразователей с визуальным
считыванием показаний со шкалы прибора.
При испытании моделей сооружений (обычно в лабораторных ус-
ловиях) становится возможным проведение более полных исследований,
включающих моделирование различных режимов силовых и температур-
ных воздействий, измерение в большом числе точек исследуемых сечений
конструкции деформаций, перемещений, температур. В этом случае на мо-
дели устанавливаются сотни и тысячи преобразователей различного назна-
чения. Поскольку деформации и перемещения элементов моделей во много
раз меньше, чем в реальных сооружениях, важнейшими требованиями к
средствам измерений становятся их высокая чувствительность и помехоза-
щищенность (низкий уровень погрешностей измерений). Установка боль-
шого числа приборов выдвигает требования к их минимальной массе и га-
баритам, необходимым условием становится высокая скорость регистрации
их показаний.
Перечисленными достоинствами обладают современные электри-
ческие измерительные преобразователи^ применяемые в сочетании с авто-
матизированными информационно-вычислительными комплексами.
2.5.1. Измерительные приборы для статических
испытаний и область их применения
При испытании строительных конструкций статическими нагруз-
ками измеряются как действующая сила, так и основные виды деформаций:
прогибы (перемещения), продольные фибровые деформации, углы поворо-
та конструкций и ее элементов, сдвиги отдельных элементов конструкции
или их волокон относительно друг друга, кроме того, контролируется изме-
нение напряженного состояния и свойств самого материала конструкции
под действием внешней нагрузки.
При статических испытаниях используют прибор, как с непосред-
ственным отсчетом значений измеряемой величины, так и измерительные
преобразователи, позволяющие осуществлять измерения дистанционно, что
на практике существенно расширяет возможности инженерного экспери-
мента. Указанные преобразователи позволяют автоматизировать процесс
измерения и регистрации значений контролируемых величин и выполнять
измерения в местах, недоступных для приборов с непосредственным отсче-
том.
При значительном количестве установленных датчиков и прибо-
ров, а также в случае необходимости проведения неоднократных измере-
ний, на практике в настоящее время возможно создание следящих элек-
тронных систем с автоматическим опросом и автоматической регистрацией
48
показаний приборов с непосредственным вводом исходных данных прово-
димых испытаний в ЭВМ и проведением математической обработки полу-
ченных результатов.
2.5.2. Силоизмерительные приборы
При испытании строительных конструкций статическими нагруз-
ками, создаваемыми грузовыми механизмами - домкратами, лебедками,
талями или талрепами; измерение интенсивности нагрузки осуществляют
динамометрами. На практике различают два вида динамометров ста-
ционарные и переносные.
Стационарные динамометры применяют в основном для поверки
рабочих переносных динамометров. Указанные динамометры называются
образцовыми. Образцовые динамометры должны иметь государственное
свидетельство с таблицей зависимостей между нагрузками и показаниями
индикатора для нескольких реперных точек.
По конструктивным особенностям рабочие динамометры подраз-
деляются на пружинные, гидравлические и электрические. В зависимости
от способа регистрации измеряемой силы различают динамометры со стре-
лочным указателем, со счетным приспособлением и записывающие.
Динамометры со стрелочным указателем используют, главным об-
разом, для измерения статических усилий, а счетно-регистрирующие и за-
писывающие - для переменных усилий. Динамометры, имеющие записы-
вающие устройства, называются динамографами. Конструктивные особен-
ности образцовых пружинных динамометров, гидравлических и электри-
ческих представлены на рис.2.5, 2.6, 2.7.
В полевых и лабораторных условиях действующую силу, прикла-
дываемую к строительной конструкции, можно измерить и самым простым
способом. В установку для измерения силы вместо динамометра вставляют
металлический стержень и индикатором часового типа измеряют его отно-
сительную деформацию € на возможно большой базе с точностью 0,001 мм.
Тогда действующую силу N в металлическом стержне в зависимости от его
площади сечения А и модуля упругости материала стержня Е можно опре-
делить по следующей формуле:
N = eAE (2.37)
В последнее время все шире стали применяться электромеханичес-
кие динамометры с тензорезисторной измерительной системой, представ-
ленной на рис.2.7.
Рассмотренные динамометры обладают очень высокой чувстви-
тельностью, широким диапазоном измеряемых усилий. Одновременно они
очень компактны по размерам и сопрягаемы с существующей вычисли-
тельной техникой, позволяющей автоматизировать все операции, связанные
с измерениями и обработкой получаемых результатов.
49
a
Рис. 2.5. Образцовые динамометры: а-сжатие, б-растяжение
1 - корпус, 2 - нижняя пята, 3 - верхняя пята, 4 - флажки,
5 - рабочая игла, 6 - индикатор
Рис. 2.6. Схема гидравлического динамометра
1 - рабочий цилиндр, 2 - рабочий поршень, 3 - серьга, 4 - измерительный
цилиндр, 5 - поршень измерительного цилиндра, 6 - пружина, 7 - барабан, 8 -
рычаг, 9 - рабочая шкала, 10 - электрический двигатель, 11 - указатель давления
Схема электрических соединений
Рис. 2.7. Конструктивные особенности электромеханических динамометров:
а - для измерений растягивающих усилий, б, в - для измерений сжимающих усилий
2.5.3. Приборы для линейных измерений
Диапазон и требуемая точность измерений. При испытаниях де-
ревянных конструкций, в особенности большепролетных, приходится изме-
рять перемещения порядка нескольких сантиметров. Перемещения различ-
ных точек металлических конструкций колеблются в зависимости от разме-
ров испытываемого объектов - от нескольких миллиметров до десятков
миллиметров. Наиболее жесткими являются железобетонные конструкции,
где перемещения относительно не большие.
Особенно повышенные требования предъявляются при наблюде-
нии за характером затухания приращения перемещений во времени в ходе
выдерживания нагрузки. В большинстве случаев при этом необходимы из-
мерения с точностью: порядка миллиметра - для деревянных конструкций;
десятых и сотых миллиметра - для металлических конструкций; а в отдель-
ных случаях и даже тысячных миллиметра - для железобетонных несущих
и ограждающих конструкций.
Для удовлетворения всех этих требований и достижения макси-
мальной объективности и достоверности выполненных измерений на прак-
тике необходимы приборы с высокими метрологическими характеристика-
ми.
Прогибомеры. Приборы для измерения перемещений называют
прогибомерами. В зависимости от назначения прогибомеры могут
иметь различную конструкцию. В одних случаях это могут быть простей-
шие устройства, позволяющие замерять перемещения загруженных строи-
тельных конструкций с точностью не выше 0,1... 1 мм.
При больших перемещениях такая точность бывает достаточной. В
других случаях, когда требуется высокая точность измерений, достигающая
0,01мм и выше, используются более чувствительные приборы со сложными
измерительными устройствами.
Рассмотрим элементарные прогибомеры.
К наиболее простым (элементарным) прогибомерам относится уст-
ройство, представляющее собой две планки, одна из которых закреплена на
железобетонном основании, а другая - на конструкции. По взаимному сме-
щению планок судят о деформации конструкции.
Точность измерений таким устройством, как правило, невысокая,
но если металлические планки тщательно выполнены и сопряжены между
собой, прочно закреплены и снабжены нониусным устройством, то точ-
ность измерений можно довести до 0,1 мм (рис. 2.8, а).
Для измерения деформаций и перемещений с точностью до
0,1...0,2 мм применяют рычажные прогибомеры. При этом перемеще-
ние одного плеча рычага равно перемещению конструкции, а перемещение
другого плеча, фиксируемое на рабочей шкале, в К раз больше (рис. 2.8, б,
в). Недостаток таких элементарных приборов связан с тем, что они имеют
небольшое увеличение (Х'<10...20) и одновременно в системе возможны
различные люфты и неточности в соотношении плеч.
52
Рис. 2.8. Конструктивные схемы элементарных прогибомеров:
а- прогибомер прямого измерения;
б, в- прогибомеры с рычажными усилителями;
1- изогнутая ось загружаемой конструкции; 2 - рабочее плечо прогибомера;
3 - неподвижное плечо прогибомера; 4 - рычаг; 5 - неподвижные опоры
На практике при измерениях вертикальных перемещений строи-
тельных конструкций возможны варианты установочных схем, показанные на
рис.2.12 и рис.2.13.
Для более точных измерений применяют прогибомеры, в которых
используется редукторная кинематическая схема. В настоящее время в ста-
тических испытаниях широко используются три разновидности прогибоме-
ров: прогибомер Максимова, прогибомер Емельянова и прогибомер Аисто-
ва, кинематические схемы которых представлены на рис.2.9, 2.10, 2.11.
53
Рис.2.9. Кинематическая схема
прогибомера Максимова:
1 - нерастяжимая нить;
2 - рабочий шкив;
3 - рабочий диск;
4 - регистрирующая стрелка
Рис.2.10. Кинематическая схема
прогибомера Емельянова:
1 - нерастяжимая нить;
2 - рабочий шкив;
3 - рабочий диск;
4 - регистрирующая стрелка
Рис.2.11.
Кинематическая схема
прогибомера Аистова:
1 - нерастяжимая нить;
2 - рабочий шкив;
3 - рабочий диск;
4 - регистрирующая
стрелка
В прогибомере Максимова (рис.2.9) перемещение гибкой нерастя-
жимой нити 1, охватывающей шкив 2 и соответствующей такому же пере-
мещению испытываемой конструкции, вызывает поворот диска 3 на угол
Д<р и стрелки 3 на угол АДф (к - соотношение диаметров диска и фрикци-
онного барабана). При этом точность отсчета по рабочей шкале достигает
0,05 мм. Диапазон измерений - неограниченный. Одним из главных недо-
статков прибора является наличие в кинематической схеме прибора - неже-
сткого фрикционного соединения.
54
В прогибомере Емельянова (рис.2.10) передача вращения осуще-
ствляется с помощью шестерен. При этом шкив шестерен и стрелки нахо-
дятся в параллельных плоскостях. По одной шкале отмечаются целые мил-
лиметры, по другой - до 0,01мм. При этом диапазон измерений в одном
приборе также неограничен. Люфт зубчатого соединения устраняется с по-
мощью пружины разворачивающей шестерни в противоположные стороны.
У прогибомера Аистова (рис.2.11) принципиальная кинематичес-
кая схема практически аналогична предыдущей схеме. Однако используе-
мые в ней некоторые усовершенствования позволяют одновременно на трех
рабочих шкалах оценивать перемещения испытываемой конструкции со
следующей точностью: на первой до 1 см (полный поворот равен 10 см), на
второй- до 1мм (полный поворот равен 10 мм), на третьей - до 0,01 мм
(полный поворот равен 1 мм).
1. При наличии доступной неподвижной точки - схема на рис.2.12,
а (прибор внизу) и схема на рис.2.12, б (прибор наверху). Для учета влияния
осадок опор требуется установка дополнительных прогибомеров в опорных
сечениях. При испытаниях строительных конструкций над водой, при от-
сутствии быстрого её течения, на дно может быть опущен тяжелый якорь
(рис.2.12, в), к которому предварительно прикрепляется нижний конец со-
единительной нити (проволоки).
2. При недоступности или большом расстоянии до неподвижных
точек, а также с целью исключения влияния осадок опор на практике доста-
точно часто применяют систему шпренгелей. В частности, на рис.2.13, а
показан подвешенный проволочный шпренгель, который оттягивается вниз
вертикальной проволокой с пружиной, обеспечивающей практическое по-
стоянство натяжения шпренгеля и тем самым требуемую неподвижность
точки крепления рабочей проволоки 4 и прогибомера 3.
На рис.2.13, б показан шпренгель, оттягиваемый подвешенным
трузом, а на рис.2.13, в видно, как постоянство натяжения шпренгеля обес-
печивается пружиной, соединяющей его вершину с верхним поясом испы-
тываемой балки.
Пример установки прогибомеров для измерения горизонтальных
перемещений испытываемого объекта приведен на рис.2.14.
Одновременно следует отметить, что на результаты измерений пе-
ремещений, с помощью рассмотренных прогибомеров значительное влия-
ние оказывает изменение длины проволоки в зависимости от температуры
воздуха и нагрева её лучами солнца. Так, стальная проволока длиной 1 метр
при повышении температуры на 10°С удлиняется более чем на 1 мм, что
должно тщательно учитываться при обработке результатов проведенных
испытаний.
Индикаторы (мессуры). Для измерения небольших по абсолютной
величине перемещений применяют индикаторы часового типа, которые
устанавливаются на неподвижной опоре с упором подвижного измеритель-
ного стержня в испытываемую конструкцию или закрепляются на испыты-
ваемой конструкции с упором подвижного стержня в какую-либо непод-
55
вижную точку. Поэтому очень часто индикаторы называют контактными
прогибомерами.
На практике применяют следующие индикаторы:
• с ценой деления 0,01мм и пределом измерения 0...50мм; О...25мм;
0...10мм; 0...5мм; 0...2мм;
• с ценой деления 0,001мм и пределом измерения 0... 1мм.
Рис. 2.12. Установка прогибомеров
с проволочной связью:
а - установка прогибомеров внизу;
б - установка прогибомеров вверху;
в - установка прогибомеров с якорем.
1 - балочная
система;
2 - опоры;
3 - прогибомер;
4 - рабочая нить;
5 - вертикальные
опоры;
6 - якорь.
Рис. 2.13. Установка прогибомеров с
применением рабочей нити к
шпренгелю с целью исключения
влияния осадок опор:
а - шпренгель с пружиной;
б - шпренгель с грузом;
в - шпренгель с закреплением
пружины на конструкцию.
I - балочная система; 5 - пружина;
2 - опоры; 6 - рабочая нить
3 - прогибомер; (проволока);
4 - шпренгель; 7 - груз.
56
Индикатор часового типа (рис.2.15) состоит из цилиндрического
корпуса, внутри которого размещена вся кинематическая система прибора.
На лицевой стороне прибора под стеклом располагается кольцевая шкала и
большая стрелка для регистрации отчета с ценой деления либо 0,01мм, либо
0,001мм. Для отсчета целых оборотов большой стрелки индикатора преду-
сматривается вторая малая шкала со стрелкой.
Схемы установки индикаторов часового типа для испытаний строи-
тельных конструкций могут быть идентичны ранее описанным схемам ус-
тановки обычных прогибомеров с проволочной связью.
При больших расстояниях между индикаторами и точками упора
между ними помещают жесткие соединительные элементы, например лег-
кие штанги (рис.2.16). Наличие подобного рода буферных элементов связа-
но, однако, с возможностью возникновения дополнительных ошибок изме-
рений в результате хотя и малых, но трудно устранимых дискретных сме-
щений и обмятий в дополнительных соединениях, коробления деревянных
реек, изменения длины связующих металлических элементов при перемен-
ной температуре и т.д.
Возможны колебания также буферных реек при порывах ветра, что
делает более целесообразным применение проволочной связи с индикато-
ром по схеме, представленной на рис.2.16.
Электромеханические измерители перемещений. В настоящее
время существует большое количество электромеханических систем изме-
рений, позволяющих преобразовать механические перемещения в электри-
ческие сигналы, усиливаемые и передаваемые на любые расстояния от мес-
та проведения статических испытаний строительных конструкций. Указан-
ные системы сопрягаемы с любой вычислительной техникой, что позволяет
обрабатывать полученные сигналы по запланированной программе и одно-
(ременно управлять проводимыми экспериментами.
В частности, к подобным измерителям перемещений относятся
различные конструктивные решения, основанные на преобразовании меха-
нических перемещений в изменение их емкости, либо индуктивности или
электрического сопротивления. Все вышеперечисленные системы преобра-
зования относятся к пассивным.
Наряду с пассивными системами в технике статических испытаний
существуют и активные системы преобразования, основанные на генериро-
вании непосредственно самим преобразователем электрических сигналов.
Подобные системы используются в так называемых “следящих” системах,
называемых сельсинами.
Сельсины - это генераторные электрические устройства для синхрон-
ной передачи углов поворота. При этом запись либо углов поворота, либо
линейных перемещений на регистрирующем приборе можно проводить с
заданным увеличением, в отличие от обычного классического механическо-
го прогибомера.
57
6
Рис. 2.14. Установка прогибомеров
для измерения горизонтальных
перемещений стенки резервуара:
1 - стенка резервуара; 4 - рабочая нить;
2 - временная опора; 5 - противовес;
3 - прогибомеры; 6 - элемент крепления
Рис. 2.15. Кинематическая схема
индикатора часового типа:
1 - рабочий шток с рейкой-
кремальерой;
2 - возвратная пружина;
3 - зубчатые шестерни;
4 - система ликвидации люфта
Рис.2.16. Схема установки
индикаторов при удаленных
измерениях перемещений:
а- с использованием рейки-удлинителя;
б- с применением проволочной связи;
1 - индикатор;
2 - рейки-удлинители;
3 - проволочная растяжка;
4 - пружины;
5 - опора;
6 - буферная неподвижная
опора
а
б
58
На практике наиболее часто для дистанционного измерения пере-
мещений используют электромеханические измерители перемещений на
базе применения тензопреобразователей (рис.2.17, а, б), которые позволяют
измерять перемещения в диапазоне от 0 до 50 мм с точностью, превышаю-
щей 0,001мм.
Рис. 2.17. Электромеханический измеритель перемещений:
а - в диапазоне 0... 1 мм с ценой деления = 0,0001 мм;
б - в диапазоне 0... 10 мм с ценой деления = 0,001 мм;
1 - корпус; 2 - рабочий шток; 3 - система преобразования
перемещений; 4 - тензосопротивление; 5 - пружина
2.5.4. Клинометры
Углы наклона элементов, подлежащие определению при испытани-
ях в пределах расчетных нагрузок, как правило, не велики. В большинстве
случаев приходится учитывать доли градуса и минуты, а при испытаниях
особо жестких железобетонных конструкций - и секунды. Приборы и при-
способления, применяемые для измерения столь малых углов, должны об-
ладать высокой чувствительностью.
При загружениях за пределами расчетных нагрузок, и в особенно-
сти при приближении к стадии разрушения, угловые перемещения начина-
ют резко возрастать, и для определения их оказываются более целесообраз-
ны геодезические методы и фотосъемка.
Ниже рассмотрим основные типы клинометров и приспособлений
для измерения малых угловых перемещений.
59
1. Способ жесткого рычага
К наблюдаемому сечению крепится металлическая консоль (рис.
2.18). Линейные перемещения двух точек консоли, обусловленные накло-
ном сечения, измеряют с помощью прогибомеров. Зная разность перемеще-
ний на базе В, определяем угол наклона а.
I
2. Клинометр с уровнем
Рис. 2.18. Измерение угла наклона
при помощи жесткой консоли:
1 - испытываемый элемент; 2 - жест-
кая консоль; 3 - соединительная про-
волока; 4 и 5 - прогибомеры;
6 - неподвижные опоры для крепле-
ния прогибомеров;
at и 02 - линейные перемещения, из-
меренные прогибомерами
Кинематическая схема их показана на рис. 2.19. Высокочувстви-
тельный уровень 2 приводится в горизонтальное положение вращением
микрометренного винта 3. Отсчеты берутся по шкале барабана 4 микромет-
ренного винта. Разность отсчетов при положениях, показанных на рис. 2.19,
Рис. 2.19. Клинометры с уровнем:
1 - исследуемая конструкция; 2 - высокоточный уровень; 3 - микрометренный винт;
4 - барабан микрометренного винта со шкалой; 5 - шарнирная опора
60
3. Клинометры с отвесом - маятником
Схема прибора показана на рис. 2.20. Отвес 2 опирается при по-
мощи призмы 3 на опору, расположенную внутри корпуса 4 клинометра.
Положение отвеса фиксируется микрометренным винтом 5. Отсчеты берут-
ся по шкале 6 барабана винта с ценой деления в 5Z/. Разность отсчетов, соот-
ветствующих положениям рис. 2.20, а и б, дает определяемый угол наклона
а.
Во избежание смещения отвеса микрометренным винтом контакт
их отмечается электросигналом (при соприкосновении острия винта 5 с
отвесом 2 замыкается слаботочная электрическая цепь).
Рис. 2.20. Клинометр с отвесом-маятником:
I - исследуемая конструкция; 2 - отвес; 3 - опорная призма; 4 - корпус прибора;
5 - микрометренный винт; 6 - барабан
Рассмотренный прибор не требует связи с каким либо репером,
что является (в особенности при длительных наблюдениях) серьезным пре-
имуществом представленного клинометра по сравнению с другими.
4. Оптический клинометр
К наблюдаемой точке прикрепляется небольшое зеркальце (отсю-
да и другое название - «зеркальный способ»). Зеркало 1 (рис. 2.21) ориен-
тируется так, чтобы с помощью зрительной трубы 2 (обычно, геодезическо-
го инструмента) мог быть сделан отсчет по шкале 3 измерительной рейки,
расположенной рядом с инструментом.
При изменении наклона исследуемого элемента на угол а зер-
кальце проворачивается вместе с ним на тот же угол, что сопровождается
поворотом «оптического рычага» СВ на угол 2а.
61
Зная расстояние L между рейкой и зеркальцем и изменение а от-
счетов по рейке, находим значение а из соотношения
а = (2.38)
2L ‘
Для облегчения ориентировки зеркало шарнирно крепится к уста-
новочной струбцине так, чтобы оно могло проворачиваться вокруг двух
взаимно перпендикулярных осей I и II.
Применение зеркального способа особенно целесообразно при
наблюдении за отдаленными точками сооружения, трудно доступными во
время испытания. Другая область применения - наблюдения за изменением
углов наклона весьма гибких элементов (например, на моделях), где исклю-
чена установка сравнительно тяжелых клинометров или крепление консо-
лей с прогибомерами.
Рис. 2,21. Схема измерения углов наклона
с помощью оптического клинометра:
1 - зеркало в положении до деформации и Iх - после деформации; 2 - зрительная
труба; 3 - шкала зрительной рейки; а = АВ - разность отсчетов по рейке до и после
деформации
2.5.5. Тензометры
Тензометры применяются для измерения линейных деформаций
поверхностных волокон элементов конструкций при статических испыта-
ниях.
Величина измеренной тензометром деформаций может быть
использована для вычисления приращения напряжения по закону Гука при
известном значении модуля упругости материала или для определения мо-
дуля упругости при известном значении напряжения.
По конструктивному признаку можно выделить четыре разновид-
ности тензометров: - механические,
- электрические,
- струнные,
- тензорезисторные.
62
1. Механические тензометры
Механические тензометры представлены рядом типов различного
конструктивного оформления. Остановимся несколько подробнее на одном
наиболее распространенном рычажном тензометре (Гугенбергера), схема-
тически показанном на рис. 2.22.
а б
Рис. 2.22. Кинематическая схема рычажного тензометра:
а - начальное положение;
б - смещение рычагов после деформации (показаны пунктиром);
1 - испытываемый элемент; 2 - острие неподвижной и 4 - подвижной ножек;
3 - неподвижная и 5 - подвижная ножки; 6 - ось вращения ножки 5; 7 - передаточ-
ный стерженек; 8 - стрелка; 9 - ось вращения стрелки; 10-шкала; /-база тензо-
метра
Как видно из рисунка, при деформации исследуемого материала
конец с стрелки 8 тензометра перемещается вдоль шкалы 10 с миллиметро-
выми делениями в новое положение с (на схеме взят случай сжатия).
Увеличение к прибора определиться при этом из соотношения
_ сс' _ b s (2.39)
Л """ ““ >
А аг
где a, b, г, s- плечи рычагов,
А - изменение расстояния между точками опирания 2 и 4.
Чаще всего тензометры данного типа выпускаются с тысячекрат-
ным увеличением, что при базе I = 20 мм д&кт возможность оценивать оп-
ределяемую деформацию до € = 1 О'4. Имеются образцы данных тензометров
63
с увеличением и несколько тысяч раз и базой до 2 мм, используемых при
измерениях, например, в зонах концентрации напряжений.
2. Электромеханические тензометры
Наиболее распространенными в настоящее время среди указан-
ных тензометров нашли электромеханические тензометры Аистова
(рис.2.23).
Рис. 2.23. Кинематическая схема электромеханического тензометра:
1 - основание тензометра; 2 - направляющая; 3 - нижняя база тензометра; 4 - опор-
ный нож; 5 - винт фиксирующий; 6 - верхняя база тензометра; 7 - электрические
клеммы; 8 - микрометрический винт; 9 - счетчик оборотов лимба; 10 - система
крепления счетчика; 11 - муфта микрометрического зинта; 12 - натяжная гайка;
13 - указатель отсчетов; 14 - лимб; 15 - перо; 16 - вилка; 17 - подвижная призма;
18 - испытываемая конструкция
Корпус тензометра состоит из стойки и основания. Стойка прибо-
ра разделена электроизоляционной прокладкой на две части 3 и 6. К ниж-
ней поверхности основания 1 прикреплена направляющая 2, по которой при
настройке прибора на нужную базу перемещается опорный нож 4. Фикса-
ция ножа на направляющей производится винтом 5.
На противоположном конце основания имеется вилка 16, в гнездо [
которой входит подвижная призма 17, жестко соединенная с пером 15. В
верхней части 7 стойки прибора находится муфта 11, через которую прохо-
дит микрометрический винт 8 с укрепленным на нем лимбом 14. Конец
винта, обращенного к перу, имеет форму конуса.
64
С левой стороны на муфте находится кронштейн с указателем
(индексом) отсчетов 13 и счетчик 9 регистрации оборотов лимба. Стержень
счетчика оборотов упирается в торец микрометрического винта. С правой
стороны на муфте имеется натяжная гайка 12, служащая, как и у клиномет-
ра Аистова, для устранения люфта между муфтой и винтом. Провода от
источника питания подсоединяются к клеммам 7.
Тензометр крепится к исследуемому изделию струбциной. Методи-
ка снятия отсчетов с тензометра Аистова такая же, как и с электромехани-
ческого клинометра.
2. Струнные тензометры
В этих приборах дистанционного действия использована зависи-
мость между частотой f собственных колебаний и натяжением струны, оп-
ределяемая выражением
J_ 1а (2.40)
7 2/Vp’
где / - длина струны, р - плотность ее материала.
Струнные тензометры применяются как приставные (рис. 2.24, а),
так и закладываемые в толщу материала конструкций, например в бетон
массивных гидротехнических сооружений. В этом случае (рис. 2.24, б)
струна 2 защищается от соприкосновения с бетоном трубками 5, жестко
соединенными с дисками 4, втопленными в кладку.
При деформации бетона расстояние L между дисками меняется, что
сопровождается изменением натяжения струны. Если // и f2 - последова-
тельно замеренные частоты ее собственных колебаний, то значение дефор-
мации е может быть найдено из выражения
= (2.41)
Е Е v '
где Е - модуль упругости материала струны.
Для возбуждения колебаний используется помещенный рядом со
струной электромагнит 6, в котором возникшие колебания струны, в свою
очередь, индуцируют переменный ток той же частоты / определяемой с
помощью регистрирующих устройств, соединенных с тензометром прово-
дами 7.
Для исключения влияния температуры и других возможных воз-
действий, влияющих на получаемые результаты, рядом с группами зало-
женных в бетон «рабочих» тензометров помещают «компенсационный»
прибор, размещаемый таким образом, чтобы деформации бетона на него не
действовали. Учитываются также показания заложенных в кладку телетер-
мометров и т.д.
Струнные тензометры применяют главным образом для длитель-
ных измерений, поскольку существенным их преимуществом по сравнению
с тензорезисторами являются то, что на частоту колебаний струны не влия-
3-14
65
ют возможные утечки тока и изменения омического сопротивления в со-
единительных коммуникациях, с чем приходится серьезно считаться и при-
нимать соответствующие защитные меры при пользовании тензорезистора-
ми.
Рис. 2.24. Струнные тензометры:
а - приставной (или «накладной») тензометр; б - закладной тензометр;
1 - испытываемая конструкция; 2 - натянутая стальная струна; 3 - опоры для
крепления струны; 4 - жесткие диски; 5 - ограждающие трубки; 6 - электромаг-
нит; 7 - соединительные провода; / - длина струны; L - расстояние между сред-
ними сечениями дисков 4
3. Тензорезисторные тензометры
В настоящее время для измерения деформаций при испытаниях со-
оружений, строительных конструкций и деталей наиболее широко исполь-
зуются тензорезисторные тензометры, в основу которых положены тензо-
резисторы различной конструкции.
Тензорезисторы предназначены для дистанционных измерений де-
формаций.
Принцип действия тензорезисторов основан на изменении омичес-
кого сопротивления R проводников и полупроводников при деформации.
66
Основной характеристикой тензорезистора является его коэффици-
ент тензочувствительности
к = ДЯ/Я (2.42)
ДУ// ’
т.е. отношение относительного изменения электросопротивления &R/R тен-
зорезистора к вызывающей это изменение деформации £ = А/// исследуемо-
го материала, где / - длина базы тензорезистора.
Для изготовления тензорезисторов используются обычно сплавы
меди и никеля (константан, элинвар и др.), характеризующиеся высоким
коэффициентом тензочувствительности К, постоянством значений К в тре-
буемом диапазоне деформаций, большим удельным омическим сопротив-
лением р - R/AI (где А - поперечное сечения проводника, которое может
быть взято достаточно малым) и практически постоянством значений р при
колебаниях температуры, возможных в условиях пользования тензорезис-
торами при испытаниях строительных конструкций.
Следует отметить, что с помощью тензорезисторов измеряется от-
носительное удлинение с, а не изменение А/ длины базы (как у механичес-
ких тензометров).
Однако длина базы имеет существенное значение и для тензорезис-
торов, поскольку при исследованиях материалов с неоднородной структу-
рой для получения усредненных значений деформаций в рассматриваемой
зоне длина базы должна в несколько раз превосходить размеры наиболее
крупных составляющих материала. Однако при исследовании деформаций
в зонах концентрации напряжений длину базы следует брать по возможнос-
ти наименьшей.
При испытаниях строительных конструкций используют проволоч-
ные, фольговые и полупроводниковые тензорезисторы.
Петлевые проволочные тензорезисторы (рис. 2.25, а) из тонкой про-
волоки (диаметром 12...30 мк), приклеенной к бумажной или пленочной
подложке, были еще сравнительно недавно основным типом приборов,
применявшихся при испытании сооружений. Эти тензорезисторы (с базой
обычно от 5 до 100 мм) удобны в работе и несложны в изготовлении. Одна-
ко им свойственна в большинстве случаев поперечная чувствительность,
обусловленная наличием закруглений, соединяющих прямые участки тен-
зорешетки и воспринимающих деформации, направленные перпендикуляр-
но к продольной оси тензорезистора. Наличие поперечной чувствительнос-
ти тензорезистора снижает его осевую тензочувствительность.
От этого недостатка свободны беспетлевые тензорезисторы
(рис.2.25, б) с низкоомическими медными перемычками. Из-за отсутствия
поперечной тензочувствительности и лучших условий передача деформа-
ций (ввиду продолжения прямолинейных участков тензорешетки и за пере-
мычки) база их может быть уменьшена до 2...3 мм.
В настоящее время все большее распространение получают фоль-
говые тензорезисторы (рис.2.25, в) из металлической фольги толщиной не
более 4...6 мк. Этим тензорезисторами при изготовлении фотолитограф-
67
ским способом могут быть приданы любые очертания, требуемые условия-
ми эксперимента. Вследствие низкой поперечной чувствительности и пло-
ского сечения элементов тензорешетки, они имеют при той же площади
сечения более развитую поверхность приклейки, что улучшает условия их
работы.
Полупроводниковые тензорезисторы (рис.2.25, г) по сравнению с
рассмотренными выше типами обладают значительно большей тензочувст-
вительностью, меняющейся, однако, при деформации и при изменениях
температуры. Несмотря на это, они эффективно применяются в упругих
элементах различных измерительных приборов (например, динамометров),
где большое значение имеет их высокая чувствительность, а отмеченные
недостатки могут быть компенсированы.
Рис. 2.25. Типы тензорезисторов:
а - проволочный петлевой; б - проволочный беспетлевой;
в - фольговый; г - полупроводниковый;
1 - тензочувствительные элементы; 2 — низкоомные перемычки; 3 - выводные кон-
такты; 4 - подложка («основа») и наклеенный над тензорешеткой защитный слой
тонкой бумаги; / - база тснзорезистора
68
I
Тензорезисторы, применяемые при испытаниях сооружений, долж-
ны давать возможность измерения деформаций в диапазоне до 10'5: при
исследовании упругой стадии работы материала - до (5...7)Ю’3 и упруго -
пластической до 10'1 и более. Необходимым условием является также ста-
бильность показаний тензорезисторов, их влагостойкость т.п.
Влияние температурных погрешностей, обусловленных темпера-
турным коэффициентом изменения сопротивления тензонитей р и разно-
стью температурного коэффициента расширения материала тензорезистора
От и исследуемого материала Ом, исключают установкой компенсационных
тензорезисторов.
В случаях, когда установка компенсационных тензорезисторов не-
возможна или они нс могут быть помещены в те же температурные усло-
вия, используют так называемые самокомпенсированные тензорезисторы,
материал которых должен удовлетворять условию 0 = (ам - а^уК, где К -
коэффициент тензочувствительности тензорезистора.
Повышенные требования предъявляются к глубинным тензорезис-
торам разной конструкции, закладываемым в толщу схватывающегося ма-
териала (например, бетона), когда должна быть обеспечена их безотказная
работа в течение длительного времени.
Изменения сопротивления тензорезисторов в процессе испытаний
весьма малы (тысячные доли ома). Для измерения столь малых колебаний
сопротивления применяют в большинстве случаев мостовые измеритель-
ные схемы (рис. 2.26).
Рис. 2.26. Измерительные мосты:
а - схема моста Уитстона; б - мост с реохордом;
Rlt R.2, R3, R<- сопротивления, включенные в плечи моста;
Г] и г2 - сопротивление реохорда
69
Во внешние плечи моста включены «рабочий» тензорезистор с со-
противлением Rh воспринимающий наблюдаемые деформации, и «компен-
сационный» тензорезистор с сопротивлением R2 - Ri, помещаемый в оди-
наковых с ним температурных условиях в непосредственной близости от
рабочего, но не подверженный воздействию измеряемых деформаций. Во
внутренние плечи включены тензорезисторы с сопротивлениями R3 и R4,
помещаемые в регистрирующем приборе и связанные с рабочим и компен-
сационным тензорезисторами электропроводами. Как известно, мост будет
сбалансирован (т.е. ток в его измерительной диагонали bd будет равен ну-
лю) при условии
RiR4-R2R3. (2.43)
Возможны два метода измерений:
1) метод отклонений (называемый также «методом непосредствен-
ных отсчетов»), когда изменение сопротивления АЛ/ рабочего тензорезис-
тора определяется по силе тока, возникающего в измерительной диагонали
ранее сбалансированного моста,
2) нулевой метод (более совершенный), при котором относительные
изменения сопротивления ДА// R/ определяют балансировкой моста с по-
мощью включенного в цепь (рис.2.26, 6) реохорда тп изменением отноше-
ния сопротивлений / г2. Этот метод является основным при статических
испытаниях.
В настоящее время разработано большое количество различных си-
стем коммутаторов, которые позволяют последовательно присоединять к
отсчетному устройству большое количество (до нескольких сот) тензорези-
сторов. При использовании автоматически действующей аппаратуры на
регистрацию показаний каждого тензорезистора требуется всего несколько
секунд. Поэтому возможен непосредственный ввод данных в ЭВМ для их
обработки.
Все это, а также дешевизна, крайне малый вес, малые габариты
тензорезисторов и возможность крепления (приклейки) в любых точках
исследуемой конструкции, обусловливают широкое их применение на
практике.
2.5.6. Сдвигомеры
Приборы, измеряющие деформации сдвига, называются сдвигоме-
рами. Широкое распространение из этой группы приборов получил тензо-
метр - сдвигомер Аистова (ТСА). Он может быть использован как тензо-
метр или сдвигомер. При этом кинематическая схема указанного сдвигоме-
ра практически полностью аналогична представленному выше электроме-
ханическому тензометру на рис. 2.23, с той лишь разницей, что у тензомет-
ра-сдвигомера Аистова имеется еще дополнительно оснастка (рис. 2.27) для
установки прибора на строительную конструкцию, состоящую из несколь-
70
ких элементов, между которыми в процессе испытания возможны сдвиго-
вые деформации.
Рис. 2.27. Дополнительная оснастка
и схема установки тензометра-
сдвигометра на строительную кон-
струкцию
2.5.7. Геодезические методы измерения перемещений
Классические геодезические методы. Под геодезическими мето-
дами понимают обычно совокупность приемов для измерения перемещений
в исследуемых конструкциях с помощью геодезических приборов - теодо-
литов и нивелиров.
Измерение вертикальных перемещений отдельных элементов со-
оружений производится на основе нивелирования - либо технического, ли-
бо высокоточного. Нивелирование во время испытания может производить-
ся по маркам и реперам, установленным для длительных наблюдений за
деформационным поведением обследуемых сооружений. При использова-
нии нивелиров с приспособлением для оптического смещения линии визи-
рования возможна оценка определенных перемещений сооружения с точно-
стью до 0,01мм.
Измерение горизонтальных перемещений сооружений или отдель-
ных элементов несущих и ограждающих конструкций производят на прак-
тике с использованием теодолитов.
На практике теодолит центрируют под неподвижной точкой, вы-
бранной на расстоянии 25...40м от сооружения в зависимости от его высо-
ты. При этом на необходимых точках сооружения прикрепляют временные
марки; при определении горизонтальных перемещений наиболее часто ис-
пользуются 2 способа.
1. Способ измерения углов при повторных наведених теодолита на
наблюдаемые марки. При этом, зная расстояние от теодолита до наблюдае-
мой марки и абсолютную величину приращения измеряемых горизонталь-
ных углов, находят расчетным путем линейные горизонтальные перемеще-
ния наблюдаемых точек.
71
2. Способ так называемого "бокового" нивелирования, в котором
при каждом отсчете рабочую трубу теодолита сначала наводят на наблюда-
емую марку, а затем поворотом в вертикальной плоскости на 180° - на го-
ризонтальную рейку с миллиметровой шкалой, закрепленной так, чтобы
она заведомо всегда оставалась неподвижной во время испытаний. Разность
последовательных отчетов, взятых по рейке, и дает искомое перемещение
наблюдаемых точек в горизонтальном направлении.
Однако на практике имеют место случаи отсутствия прямой види-
мости для наблюдаемых точек, что не позволяет широко использовать гео-
дезические методы для глобальной оценки деформационного поведения
обследуемого сооружения.
Гидростатическое нивелирование. Гидростатическое нивелиро-
вание нашло широкое применение в геодезии и машиностроении при пост-
роении различных профилей местности и установке в проектное положение
оборудования различных технологических линий.
Рис. 2.28. Схема измерения вертикальных перемещений сооружений
с помощью системы гидростатического нивелирования:
1 - стеклянная трубка;
2 - рабочая шкала;
3 - гибкие шланги;
4 - уравнительный бак;
5 - измеряемые перемещения;
6 - базовая (нулевая) линия измерения
Этот способ основан на определении взаимного превышения про-
веряемых точек на уровне стояния жидкости в сообщающихся сосудах.
Схема установки показана на рис.2.28. Чувствительность метода может
быть значительно повышена установкой в трубках с внутренним диаметром
порядка 5 см специальных микрометрических головок, оканчивающихся
специальным коническим острием. При этом уровень жидкости в рассмат-
72
риваемом случае определяется путем световой, либо звуковой сигнализа-
ции в момент касания острия головки поверхности жидкости. Рабочие отче-
ты берутся по шкале головки с точностью 0,01мм.
Отвесы, Отвесы применяют для определения взаимных горизон-
тальных смещений точек сооружения, расположенных на одной вертикали.
На практике различают два типа отвесов: прямой и обратный.
Конструктивная схема прямого отвеса показана на рис.2.29, а об-
ратного отвеса - на рис.2.30.
5
Рис. 2.29. Конструктивная
схема прямого отвеса:
1 - исследуемое сооружение;
2 - марка с горизонтальной
шкалой;? - отвес в сосуде с
маслом;4 - кронштейн для
отвеса;5 - линейная шкала;
6 - микроскоп; 7 - струна
Прямой отвес используют наиболее часто для определения гори-
зонтальных смещений наземных частей зданий и сооружений, возникаю-
щих при неравномерных деформациях грунтовых оснований, а также от
крановых горизонтальных нагрузок либо от копровых установок.
Обратный отвес используют для выноса на дневную поверхность
через вертикальную шахту положения рабочей марки заложенной, напри-
мер, в основании гидротехнической плотины.
Метод натянутой нити. Для точек, расположенных по прямой (в
горизонтальном “створе”), перемещения, перпендикулярные перемещению
створа, могут измеряться с помощью натянутой проволоки. Это целесооб-
разно при отсутствии прямой видимости или при большой длине створа,
т.е. в случаях, требующих переноса оптических геодезических инструмен-
тов на промежуточные марки, что на практике снижает точность получае-
мых результатов. На рис.2.31 показана конструктивная схема метода натя-
нутой нити.
Горизонтальные перемещения, перпендикулярные направлению
створа, возникающие в сооружении, определяются с точностью до 0,1мм
соответственно по изменению положения поплавков относительно корпуса
их ванночек. Отчеты на практике берутся по линейкам с нониусами.
73
б
Рис. 2.30. Конструктивная схема
обратного отвеса:
а - схема, требующая полной
герметизации и большого объ-
ема масла;
б - усовершенствованная схема;
1 - поплавок;
2 - струна;
3 - марка;
4 - корпус;
5 - рабочая жидкость;
6 - отсчетное устройство
Рис. 2.31. Конструктивная схема метода натянутой нити для определения
горизонтальных смещений обследуемых строительных объектов:
7
а - общая схема; б - схема плавающих опор;
1 - стальная проволока; 5 - ванночки;
2 - натягивающий груз;
3 - неподвижная опора;
4 - плавающая опора;
6 - поплавок;
7 - вилка фиксатора проволоки;
8 - ограждающие конструкции объекта
Рассматриваемый метод разработан для наблюдений перемещений
в гидротехнических сооружениях. В ходе обследования плотин при длине
74
створов, например, до 600 м разброс показаний при повторных отсчетах не
превышает ± 0,2мм.
2.5.8. Фотометрические методы
Фотометрические методы условно подразделяются на классичес-
кую фотограмметрическую и стереофотограмметрическую съемки с после-
дующей специальной камеральной обработкой полученных снимков.
Рис.2.32. Схема прохождения световых лучей при фотометрической съемке:
1 - исследуемый объект; 2 - фототеодолит или фотокамера;
3 - оптический центр фотокамеры; 4 - фотопленка
В настоящее время эти съемки все шире используются как в натур-
ных испытаниях сооружений, так и при испытаниях, выполняемых в лабо-
раторных условиях, в том числе и при испытаниях строительных моделей.
Пространственная схема прохождения световых лучей при фото-
грамметрической съемке представлена на рис.2.32.
На практике при фотограмметрической съемке (рис.2.33) на вы-
бранном расстоянии Y от объекта устанавливается фототеодолит и выпол-
няется съемка до и после деформации обследуемого объекта. В результате
координаты точки N по оси X и Z можно определить путем обработки по-
лученных фотоснимков с использованием следующих формул:
Х = ух; Z = yz, (2.44)
где X и Z - соответственно координаты точки N на объекте;
Y - расстояние до фототеодолита;
f - фокусное расстояние фототеодолита;
х и z - координаты точки N на фотоснимке.
75
Для решения пространственной задачи с помощью стереофото-
грамметрической съемки возможно дополнительное определение по вы-
полненным фотоснимкам значения координаты Y, т.е. удаления рассматри-
ваемой точки N от фототеодолита. Для решения данной проблемы необхо-
дима съемка обследуемого объекта с двух точек согласно рис.2.34.
Рис.2.33. Горизонтальная проекция
рабочей схемы фотограмметри-
ческой съемки
Рис.2.34. Схема стереофото-
грамметрической съемки
с двух позиций:
1 - левый снимок;
2 - правый снимок;
3 - объект;
Si Sj- местонахождения
фокуса фототеодолита;
В - база съемки
При этом в ходе обработки полученных двух снимков с двух пози-
ций необходимо определить разность абсцисс Xj и Х2> на указанных фото-
снимках, используя следующую формулу:
Р = X» - Х2, (2.45)
где р - горизонтальный параллакс фототеодолита.
Зная значения f, р, В, можно определить значение Y до и после де-
формирования обследуемого объекта по формуле:
(2.46)
где f- фокусное расстояние фототеодолита;
76
р - горизонтальный параллакс;
В - база съемки.
Обработка полученных фотоснимков на практике и нахождение па-
раллаксов исследуемых точек производится с помощью специально пред-
назначенного для этой цели оптического прибора - стереокомпаратора.
Предложенные методы имеют следующие преимущества.
1. Одновременность фиксирования всех точек сооружения,
отраженных на снимке.
2. Возможность определения перемещений в неограниченно боль-
шом числе точек, выделенных на снимке.
3. Комфортность обработки снимка, производимой в спокойных
лабораторных условиях с возможностью неоднократной проверки получен-
ных данных. Сами же фотографии одновременно являются надежным до-
кументом, отражающим фактическое состояние обследуемого объекта в
момент съемки.
Одновременно данный метод имеет и недостатки.
1. На практике требуется применение специальной аппаратуры.
2. Обслуживающий персонал должен иметь соответствующую ква-
лификацию и подготовку.
3. Сама съемка ограничена пределами прямой видимости.
4. До начала работы необходимо выполнить специальные
подготовительные работы.
5. Большое сооружение необходимо снимать с нескольких позиций,
что нарушает одновременность съемки и усложняет контрольную обработ-
ку полученных снимков.
Проведенная экспериментальная проверка показывает, что при
удалении объекта от фототеодолита на 10 метров погрешность в определе-
нии перемещений в плоскости сооружения не превышает ±1мм, а погреш-
ность в определении перемещений из плоскости сооружения достигает
+3мм.
При более близких расстояниях точность результатов измерения
повышается.
Для наблюдения за перемещениями в высотных сооружениях и
подземных штольнях гидротехнических сооружений эффективно исполь-
зуют лазерные приборы, а также современные высокоточные радио- и све-
тодальномеры.
2.6. Информационно-измерительные системы
В настоящее время в измерительной технике получили распростра-
нение многофункциональные многоканальные автоматизированные уст-
ройства, названные информационно-измерительными системами (ИИС),
предназначенные для автоматического сбора, отработки и выдачи по задан-
77
ной программе информации, поступающей от многих источников. При про-
ектировании ИИС пользуются принципом агрегатно-модульного построе-
ния системы, состоящей из ограниченного набора унифицированных бло-
ков и модулей, выпускаемых промышленностью и входящих в государст-
венную систему приборов (ГСП). Такое построение обеспечивает метроло-
гическую, информационную, конструктивную и эксплуатационную совмес-
тимость отдельных модулей и блоков для получения информации и ее пре-
образования, хранения и выдачи в требуемом виде на печать.
На рис.2.35 приведена структурная схема универсальной
информационно-измерительной системы.
Входящие в эту систему электрические средства измерений обес-
печивают весь комплекс преобразования информации, начиная от восприя-
тия измеряемой величины и кончая ее автоматической обработкой и регис-
трацией.
Рис.2.35. Структурная схема универсальной информационно-
измерительной системы
Первичные преобразователи представляют собой линейную меха-
ническую систему, способную воспринимать значения измеряемой величи-
ны (перемещения, ускорения, усилия и др.) и преобразовывать их в относи-
тельные перемещения или деформации собственных упругих элементов.
Измерение различных параметров и откликов при испытании стро-
ительных конструкций производится на практике с помощью электричес-
ких преобразователей или датчиков с электрическими преобразователями,
отличающимися исключительной универсальностью.
78
С помощью электрических датчиков измеряют деформации, пере-
мещения, усилия, ускорения. Они могут применяться как в лабораторных
условиях, так и в условиях натурного эксперимента, как при статическом,
так и при динамическом воздействии. При этом выходной сигнал электри-
ческих преобразователей удобен для последующего преобразования (уси-
ления, интегрирования) и дистанционной передачи и регистрации.
2.7. Тарирование измерительной аппаратуры и приборов
Для определения основных характеристик измерительных уст-
ройств проводят их тарировочные испытания. При проведении таких испы-
таний используют градуировочные установки, обеспечивающие воспроиз-
ведение заданных действительных значений измеряемой величины. Для
каждой из определяемых характеристик разрабатывают схему градуировки,
которая включает оценку коэффициентов влияния различных факторов:
температуры, влажности, магнитных полей и др. На основе полученных
данных определяется схема анализа погрешностей.
Градуировка силоизмерительных устройств обычно осуществляет-
ся с использованием испытательной машины или гидравлического пресса;
для контроля усилия последовательно с поверяемым преобразователем ус-
танавливают образцовый динамометр. Класс точности (относительная по-
грешность градуировки, отнесенная к максимальному значению на шкале и
выраженная в процентах) образцовой меры должен не менее чем в 3 раза
превышать класс аттестуемого силоизмерителя.
Статическую градуировку датчиков давления производят с помо-
щью грузопоршневых устройств или гидравлических установок с образцо-
выми манометрами. Универсальные измерители перемещений и тензомет-
ры градуируют на механических или оптико-механических компараторах с
ценой деления шкалы 1 ...5 мкм.
В процессе выполнения градуировки преобразователи нагружают и
разгружают ступенями, составляющими 0,1 от верхнего предела диапазона;
полный цикл повторяют не менее шести раз. По полученным результатам
вычисляют средние значения сигналов преобразователя на каждой ступени
и по этим данным строят статическую градуировочную характеристику, а
также определяют чувствительность, относительную нелинейность, меха-
нический гистерезис.
Датчики нормальных напряжений, предназначенные для установки
внутри дисперсных сред, сначала градуируют в гидростатической камере
по той же методике, что и обычные датчики давления. По результатам гид-
ростатических испытаний определяют чувствительность, нелинейность ха-
рактеристики и механический гистерезис; устанавливают основную по-
грешность и класс точности.
79
Однако, в отличие от обычных датчиков давления, необходимо до-
полнительно определить влияние на статическую характеристику условий
взаимодействия преобразователя со средой. Так, для проведения испытаний
грунтов применяют различные вспомогательные устройства (одометры),
воспроизводящие на границах пробы грунта или сыпучей среды со стан-
дартными механическими свойствами заданные значения компонентов на-
пряженного состояния.
При градуировке виброметров перемещения и ускорения для воз-
буждения заданных гармонических колебаний применяют градуировочные
и испытательные вибростенды. Наибольшее распространение получили
эксцентриковые и электродинамические вибростенды.
В эксцентриковых стендах возвратно-поступательное движение
рабочей платформы создается кривошипно-шатунным механизмом, приво-
димым в движение электродвигателем, с диапазоном частот от 0,2...5 до
80... 100 Гц.
В электродинамических стендах используется мощный магнито-
электрический преобразователь, питаемый от специального блока управле-
ния и допускающий плавную регулировку частоты и амплитуды колебаний
ви бропл атформ ы.
Для воспроизведения гармонических колебаний с частотой менее
1Гц и амплитудой до 500 мм применяются астатические маятники с плос-
кими вертикальными пружинами, физические маятники большой длины и
другие приспособления.
При определении амплитудно-частотной характеристики вибро-
метр или акселерометр закрепляют на виброплатформе стенда соосно с на-
правлением генерируемых колебаний. К вибропреобразователю присоеди-
няют соответствующие элементы измерительного канала (усилитель, регис-
трирующий прибор), после чего небольшими ступенями изменяют частоту
колебаний виброплатформы.
Контроль параметров движения виброплатформы может быть осу-
ществлен несколькими способами. Обычно вибростснды оснащены преоб-
разователем индукционного типа и электронно-лучевым осциллографом.
В качестве поверочного средства может быть использован образцо-
вый вибропреобразователь, установленный рядом с калибруемым. При дру-
гом способе контроля измеряются частота и размах колебаний. Для опреде-
ления частоты на ленту с виброграммой, полученной с помощью калибруе-
мой аппаратуры, параллельно записывается сигнал заданной частоты. Наи-
более точным методом измерения амплитуды (или размаха) колебаний виб-
роплатформы является оптический.
Используют измерительные микроскопы с окулярным микромет-
ром. Микроскоп фокусируют на торцевую поверхность виброплатформы и
измеряют длину размытого изображения (двойную амплитуду) какой-либо
характерной точки (например, отпечатка, оставленного алмазной пирамид-
80
кой). При высоких частотах 5... 10 кГц и очень малых амплитудах 1 ...2 мкм
применяют интерферометрический метод измерения перемещений.
В отличие от тензометров, тензорезисторы не могут быть установ-
лены повторно и, следовательно, не могут быть индивидуально проградуи-
рованы. Поэтому характеристики определяются для некоторой выборки
тензорезисторов, составляющей 5...7% оцениваемой партии.
Полученные результаты обрабатываются статистическими метода-
ми. Установленные для испытанной выборки средние значения характерис-
тик тензорезисторов и средние квадратические отклонения от этих значе-
ний, а также аппроксимированные функции влияния температуры, влажно-
сти и других факторов присваивают всей партии тензорезисторов.
В качестве эталонного упругого элемента, обеспечивающего де-
формирование тензорезисторов, рекомендуется использовать балку равного
сопротивления (рис.2.36) или постоянного сечения, нагруженную в преде-
лах рабочего участка моментом.
Рис. 2.36. Схема тарировочного устройства
с балкой равного сопротивления
Деформацию рабочей зоны балки принимают за действительную
величину. Тензорезисторы устанавливают вдоль оси балки на растянутую
или сжатую поверхность; при нагружении балки измеряют стрелу выгиба
балки и вычисляют относительную фибровую деформацию поверхностных
волокон балки соответственно для консольной балки равного сопротивле-
ния по формуле:
81
(2.47)
J 2 I2
где f - мах прогиб балки консольного типа в месте приложения нагрузки;
S - толщина балки, м;
/ - длина балки, см,
а для балки постоянного сечения (рис.2.37) - с использованием формулы:
е=Г—, (2-48)
где f- выгиб балки в пределах пролета балки, равного /#;
S - толщина балки, см.
Рабочая зона
наклейки тензомеров
Рис. 2.37. Схема тарировочного
устройства с балкой равного сечения
На градуировочном устройстве определяют статическую
характеристику преобразования, механический гистерезис, ползучесть,
функцию влияния температуры на чувствительность тензорезисторов.
Усталостная характеристика тензорезистора может быть определена с
использованием установки, схема которой показана на рис.2.38.
Перемещение свободного конца консольной градуировочной балки
с тензорезисторами осуществляется качающейся кулисой, которая
последняя приводится в движение кривошипным механизмом. Амплитуду
колебаний балки и, следовательно, деформацию ее поверхности регу-
лируют изменением плеча кривошипного механизма.
82
При смещении по вертикали опоры можно варьировать и
коэффициент асимметрии цикла. Число циклов деформирования
регистрируется счетчиком.
Рис.2.38. Схема устройства для градуировки тензорезисторов
при циклической нагрузке:
1 - градуировочная балка; 2 - тензорезисторы; 3 - кулиса;
4 - кривошипный механизм; 5 - опора
При определении усталостной характеристики циклическое
деформирование производят при нескольких уровнях амплитуды и
фиксируют число циклов, при котором происходит отказ тензорезисторов.
Поскольку в процессе циклического деформирования накапливаются
усталостные повреждения в материале чувствительного элемента, а также
происходит расстройство адгезионных связей в связующем слое, то
постепенно начинает проявляться эффект ухода нуля, т. е. изменение соп-
ротивления тензорезисторов при нулевой или постоянной средней деформа-
ции.
Признаком отказа тензорезистора в этом случае является не обрыв
чувствительного элемента, а достижение заданного уровня относительного
смещения нуля, например, 0,005-0,01%.
3. НЕРАЗРУШАЮЩИЕ МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ
3.1. Общие сведения
В настоящее время неразрушающие методы широко используются
для контроля и обеспечения качественного технологического процесса в
целом ряде отраслей народного хозяйства: металлургии, машиностроении,
химической промышленности и т.п. В сочетании с быстродействующими
вычислительными устройствами применение неразрушающих методов дает
возможность перейти к полной автоматизации производства с обеспечени-
ем необходимого соблюдения качества продукции.
В строительном деле неразрушающие методы применяются глав-
ным образом для контроля сварных металлоконструкций, при изготовлении
железобетонных деталей и элементов и т. д. Неразрушающие методы кон-
троля применяются и при освидетельствовании сооружений. Они являются
весьма перспективными для контроля на поточных линиях на заводах
строительных конструкций (в первую очередь железобетонных) не только
для выявления уже допущенных дефектов и отступления от требований ТУ,
но и, прежде всего, для предупреждения самой возможности таких нару-
шений.
По физическим принципам неразрушающих исследований раз-
личают следующие основные методы:
1) при помощи проникающих сред (жидких, газообразных и др.)
2) механические методы испытаний;
3) акустические (ультразвуковые и более низких частот);
4) магнитные, электромагнитные и электрические;
5) при помощи ионизирующих излучений (рентгеновские, радио-
изотопные и др.);
6) радиодсфектоскопия и инфракрасная дефектоскопия.
3.2. Методы проникающих сред
В резервуарах, газгольдерах, трубопроводах и других аналогичных
конструкциях, требующих обеспечения не только прочности, но и плотно-
сти соединений, контроль осуществляют с помощью проникающих сред.
Кроме применявшихся ранее испытаний водой и керосином, в настоящее
время разработаны и другие приемы.
Испытания водой. Проверяемые емкости заполняются водой до
отметки обычно несколько выше эксплуатационной. В закрытых сосудах
давление жидкости повышается дополнительным нагнетанием воды или
воздуха.
Гидростатическим давлением проверяются как плотность, так и
прочность соединений и всего сооружения в целом. Контроль швов и со-
84
единений заливкой воды совмещается, таким образом, со статическим
испытанием исследуемой емкости.
Отдельные швы металлоконструкций могут проверяться сильной
струёй воды из брандспойта, направленной под давлением примерно \атм
нормально к поверхности шва. При наличии дефектов вода просачивается
сквозь неплотности проверяемого соединения.
Проба керосином. Благодаря своей малой вязкости и незначитель-
ному, по сравнению с водой, поверхностному натяжению керосин легко
проникает через самые малые поры и выступает на противоположной по-
верхности. При опробовании поверхность шва с одной стороны обильно
смачивается или опрыскивается керосином. Для облегчения наблюдений
шов заранее подбеливается водным раствором мела. На этом подсохшем
светлом фоне отчетливо выявляются затем ржавые пятна и полосы, возни-
кающие при просачивании керосина.
Проба сжатым воздухом. При наиболее простом применении дан-
ного метода проверяемые швы обмазываются мыльной водой. С другой
стороны шов обдувается сжатым воздухом, подаваемым из шланга под
давлением порядка Аатм нормально к исследуемому шву. В замкнутые
емкости сжатый воздух подается внутрь их объема. Признаком дефектно-
сти шва служит появление мыльных пузырей на обмазке.
Более совершенным является применение ультразвуковых “течеи-
скателей”, принцип работы которых основан на регистрации ультразвуко-
вых колебаний, возникающих в местах нарушения сплошности, под дейст-
вием вытекающей здесь под давлением струи газа (воздуха). С помощью
течеискателей можно выявлять неплотности размером до 0,1лсм при избы-
точном давлении порядка $,4атм. Место нахождения дефекта определяется
с точностью до 1,5-2см.
Проба вакуумом. Проверка вакуумом требует доступа к конст-
рукции лишь с одной ее стороны, что является существенным пре-
имуществом данного метода.
К шву приставляется металлическая кассета в виде плоской короб-
ки без дна с прозрачным верхом, через который виден проверяемый шов.
Вакуум-насосом со шлангом, присоединенным к кассете, в которой созда-
ется небольшое разрежение, внешним воздушным давлением стенки кассе-
ты, снабженные по их нижнему периметру мягкой резиновой прокладкой,
прижимаются при этом к конструкции. Исследуемый шов предварительно
должен быть смочен мыльным раствором. В местах нарушений плотности
шва воздух, проникая сквозь эти неплотности, образует в мыльной пене
отчетливо видные стойкие пузыри.
При сварке сосудов высокого давления и других особо ответствен-
ных, требующих полной герметичности, конструкций для увеличения на-
дежности контроля применяется проверка плотности соединений химиче-
скими реагентами, например, воздушно-аммиачной смесью или другими
газообразными соединениями, обладающими высокой проникающей спо-
85
собностью. Химические методы проверки плотности соединений обладают
большой чувствительностью и дают возможность очень четко определять
места нахождения дефектов, чем и обусловливается в наиболее серьезных
случаях целесообразность применения этих более сложных приемов.
3.3. Механические методы испытаний
Рассматриваемые методы привнесены в область строительства из
металловедения. Как известно, при испытаниях металла широко
применяются так называемые “пробы на твердость”. К ним относятся
испытания путем вдавливания в поверхность металла стального шарика
или алмаза (по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу и т.д.), измерения по
упругому отскоку падающего шарика (испытания по Шору) и др.
Благодаря своей простоте, удобству и возможности быстрой про-
верки состояния материала в целом ряде точек на поверхности конструк-
ций эти косвенные методы нашли применение и при освидетельствовании
сооружений. Полученные при этом данные переводятся в прочностные ха-
рактеристики исследуемого материала по эмпирическим формулам или с
применением соответствующих графиков и таблиц.
Следует при этом иметь в виду, что само понятие “твердость” не
является столь же определенным физическим критерием сопротивления
материала силовым воздействиям как прочность, деформативность и т.д. В
зависимости от вида испытания на твердость выявляются различные фак-
торы: в методе отскока (по Шору) - способность к упругой работе при на-
личии поглощения части энергии деформирования; при вдавливании шари-
ка по Бринеллю - пластические свойства на уровне предела текучести; при
вдавливании алмаза - сопротивление значительному деформированию (на
уровне предела прочности) и т. д.
3.3.1. Оценка прочности металла
Наибольшее применение в строительной практике для оценки
прочности металла имеет прибор Польди (рис.3.1) ударного действия.
Наконечником прибора является шарик 2 диаметром 10 мм из
твердой закаленной стали, дающий при ударе отпечаток одновременно на
исследуемом металле 1 и на стальном эталонном бруске 3, твердость кото-
рого НВ31" должна быть заранее определена. Для получения отпечатков
ударяют молотком по верхнему торцу стержня 4.
Твердость НВ исследуемого металла испытываемой конструкции
определится из соотношения
НВ = НВ ”------У
D-^D2 -d2
86
где D - диаметр стального шарика 2 (рис.3.2):
d - диаметр отпечатка на поверхности исследуемого материала;
d3m ~ то же, на эталонном бруске.
Рис. 3.1. Схема прибора Польди:
1 - исследуемый материал;
2 - стальной шарик;
3 - эталонный брусок;
4 - ударный стержень;
5 - обойма прибор
Рис.3.2. Отпечатки, получаемые
с помощью прибора Польди:
1 - исследуемый материал;
2 - стальной шарик;
3 - эталонный брусок
Нахождение НВ и определение прочности и марки металла произ-
водятся с помощью соответствующих таблиц. Для термически обработан-
ных легированных сталей вводится поправочный коэффициент.
С помощью прибора Польди можно получать, однако, лишь ориен-
тировочные характеристики. Но и с учетом этого применение прибора
практически полезно, в особенности в следующих случаях:
для ускоренной проверки однородности материала в различных
элементах ©свидетельствуемых конструкций;
при отбраковке (проверке марок металла) поступающих заготовок.
3.3.2. Оценка прочности бетона
При косвенной оценке прочности бетона по твердостным характе-
ристикам его поверхностного слоя приходится учитывать следующие
факторы, усложняющие эту оценку:
87
1) большой разброс результатов испытаний на “твердость”, обу-
словленный неоднородностью структуры бетона. Для получения надежных
данных необходимо увеличить число проверяемых на поверхности точек и
статистически обработать результаты испытаний;
2) возможная карбонизация поверхностного слоя, повышающая
показатели твердости, а также увлажнение поверхности, снижающее эти
показатели;
3) возможность расхождения прочностных характеристик на по-
верхности и в глубине массивных блоков. Это может быть проверено, на-
пример, контрольным бурением с выемкой образцов с разной глубины, а
также применением рассматриваемых далее неразрушающих способов.
Необходимость в простых, доступных для массового применения
способов оценки качества бетона настолько настоятельна, что, несмотря на
указанные затруднения, для суждения о прочности бетона по механическим
характеристикам его поверхностного слоя предложен целый ряд приборов
и приспособлений. Краткий обзор практически наиболее оправдавших себя
и методически интересных приемов приводится ниже.
Оценка прочности бетона с помощью молотка К.П.Кашкарова.
Эталонный молоток КП. Кашкарова схематически показан на рис. 3.3.
Принцип его действия аналогичен рассмотренному выше прибору Польди с
той разницей, что удар наносится взмахом самого эталонного молотка.
Рис. 3.3. Схема молотка К. П. Кашкарова:
1 - головка; 2 - рукоятка; 3 - эталонный стержень; 4 - стальной шарик;
5 - стакан; 6 - торец стержня 3; 7 - испытуемый материал; 8 - пружина
При ударе боек (стальной шарик диаметром 15 мм) оставляет на
поверхности исследуемого бетона вмятину диаметром d^, а на эталонном
стержне (круглого сечения из Ст. 3 диаметром 10 мм) - отпечаток диамет-
ром с!эт. Для десяти ударов, нанесенных по проверяемому элементу с уда-
88
ленными штукатурными и окрасочными слоями, определяется усредненное
отношение cVdM; прочность бетона оценивается по корреляционной зави-
симости между dfi/d^y и пределом прочности бетона на сжатие, устанавли-
ваемой экспериментально. При этом должны учитываться конкретные ус-
ловия изготовления конструкции и твердения бетона, сроки испытаний, ше-
роховатость, влажность и другие особенности состояния поверхности кон-
струкции. Для эксплуатируемых сооружений указанная зависимость долж-
на быть уточнена на образцах, выбуренных из соответствующих элементов.
Эталонный молоток рекомендуется для разных операций: оценок
отпускной прочности бетонных изделий на заводах железобетонных конст-
рукций, прочности бетона при передаче напряжения от арматуры на бетон
в предварительно напряженных железобетонных конструкциях, коэффици-
ента изменчивости прочности бетона в изделиях и конструкциях (что осо-
бенно существенно при освидетельствованиях сооружений) и т. д.
Одним из наиболее простых приспособлений для сравнительной
оценки прочности бетона является молоток И. Л. Физделя. Ударная часть
этого стального молотка весом 250 г заканчивается шариком из твердой
стали, легко вращающимся в гнезде. По диаметру отпечатков, полученных
при ударе, определяют прочность бетона по эмпирическому графику. Ре-
зультаты, несмотря на их ориентировочность, все же полезны в производ-
ственных условиях. Пользование молотком при некотором навыке не вы-
зывает затруднений.
Из приборов более сложной конструкции, предназначенных для
получения ударных отпечатков на поверхности бетона, следует отметить
прибор СоюздорНИИ (Е. Е. Гибшмана и В. Г. Донченко), аналогичный по
принципу действия рассмотренному выше ударнику Польди для металла,
прибор А.М. Губбера, ударяющий по увлажненной поверхности бетона
кромкой стального диска. Эти приборы широкого применения не получили.
В Германии серийно выпускается и стандартизирован (ДИН-424а)
прибор с пружиной, передающей при спуске удар заданной силы на шари-
ковый наконечник, оставляющий отпечаток на бетоне.
Оценка прочности бетона склерометром. Приборы этого типа
применяются главным образом за рубежом. Из их числа наиболее известен
прибор Шмидта (Швейцария).
В этих приборах, так же как в ударнике Шора для металла, о ха-
рактеристиках материала судят по величине отскока стального бойка. От-
скок фиксируется указателем на шкале. Удар наносится не непосредствен-
но по исследуемой поверхности бетона, а воспринимается наконечником
прибора, прижатого к конструкции. Этот промежуточный стальной элемент
необходим, поскольку величина отскока при резкой разнице модулей упру-
гости соударяемых материалов становится трудносопоставимой. Удар
89
осуществляется спуском пружины, а не свободным падением бойка, как у
Шора, что позволяет испытывать любым образом ориентированные по-
верхности. Прибор удобен в работе и дает довольно четкие результаты.
Ударники Шмидта применяются у нас почти исключительно в
транспортном строительстве при освидетельствовании железобетонных
мостов. Имеются несколько измененные конструкции прибора. Предложен
также прибор, действующий по принципу отскока падающего стального
маятника.
Способ стрельбы. Данный способ является своеобразным вариан-
том динамических оценок прочности материала. В 1933 г. Б.Г. Скрамтае-
вым была предложена оценка качества бетона по объему лунки, выбивае-
мой в нем револьверной пулей. Выстрел из “нагана” производится с рас-
стояния 6-8 м от конструкции перпендикулярно ее поверхности с огражде-
нием стреляющего от осколков и возможного рикошета. Объем образовав-
шихся лунок определяется измерением или, что более точно, по объему
замазки, расходуемой на заполнение выбоин. Разброс получаемых резуль-
татов, однако, является значительным.
Дальнейшим развитием метода было предложенное несколько
позднее Ф.Ф. Поляковым специально сконструированное ружье с подстав-
кой, приставляемой к поверхности элемента. При выстреле в бетон входил
стальной ударник, глубина погружения которого и служила показателем
прочности материала. Способ стрельбы нашел практическое применение в
испытаниях деревянных конструкций.
Оценка прочности бетона по отпечатку при статическом воз-
действии. Из числа предложений, основанных на статическом принципе,
отметим, как наиболее характерное, устройство для вдавливания штампов,
разработанное Г. К. Хайдуковым, А.И. Годером и Д.М. Рачевским. В зави-
симости от марки бетона берутся сферы радиусом 24, 14 и 10 см и гидрав-
лическим домкратом создается усилие 2400, 2000 и 2200 кгс соответствен-
но. Конец стального поршня домкрата, служащий штампом, обработан по
сферической поверхности заданного диаметра. Для замера отпечатка на
бетоне под поршнем укладывают по листу белой и копировальной бумаги.
Для крепления всего устройства на исследуемом элементе и создания упора
для домкрата имеются стальные захваты в виде массивных скоб.
Существенным преимуществом штампов большого диаметра явля-
ется передача усилия более значительному объему материала, что позволя-
ет судить о совместной работе всех компонентов бетона. Другие же из рас-
смотренных ранее приборов (с наконечниками небольших размеров) дают в
основном представление о характеристиках затвердевшего раствора между
крупными включениями.
К недостаткам установки следует отнести сравнительно большой
ее вес, а также возникающие в отдельных случаях трудности закрепления,
ограничивающие ее применение.
90
3.3.3. Оценка прочности древесины
Метод ударных отпечатков (А. X.Шевцов). О прочности древе-
сины судят по диаметру отпечатка (вмятины), появляющегося на гладко
оструганной поверхности исследуемого элемента при падении стального
шарика диаметром 25 мм с высоты 50 см со специальной подставки. Для
проб на вертикальных и наклонных гранях применяется спуск горизон-
тально оттянутого шарика (рис.3.4), скрепленного с нитью длиной 50 см.
Диаметры отпечатка фиксируются с помощью белой и копи-
ровальной бумаг, помещенных на исследуемую поверхность в месте удара.
Для перехода от диаметра отпечатка к прочности материала пользуются
экспериментальными кривыми, построенными для разных сортов древе-
сины. Для учета влияния влажности вводится поправочный коэффициент.
Рис.3.4. Испытание ударом шарика по вер-
тикальной поверхности деревянного эле-
мента:
1 - испытуемый элемент;
2 - натянутая нить;
3 - стальной шарик;
4 - положение того же шарика
в момент удара
Способ стрельбы предложен К.П.Кашкаровым. В испытуемый де-
ревянный элемент стреляют из мелкокалиберной винтовки, закрепленной в
легком переносном станке. Расстояние от конца винтовочного ствола до
поверхности древесины принимается равным 10см. Направление простре-
ливания - нормальное к годовым слоям. Глубина погружения пули опреде-
ляется электрозондом. От среднеарифметического значения глубин погру-
жений при нескольких выстрелах переходят к прочности на сжатие вдоль
волокон материала по графикам, построенным экспериментально для соот-
ветствующих сортов древесины.
Исследования показали, что глубина погружения пули практически не
зависит от влажности простреливаемых слоев.
3.4. Акустические методы
Акустические методы основаны на возбуждении упругих механи-
ческих колебаний. По параметрам этих колебаний и условиям их распро-
странения судят о физико-механических характеристиках и состоянии ис-
следуемого материала.
В зависимости от частоты колебаний акустические методы делятся
на ультразвуковые (при частотах от 20 тыс. Гц и выше) и методы, основан-
ии
ные на использовании колебаний звуковой (до 20 тыс. Гц) и инфразвуковой
(до 20 Гц) частот.
3.4.1. Ультразвуковые методы
Возбуждение и прием колебаний. Для возбуждения ультразвуко-
вых волн на поверхности исследуемого материала устанавливают преобра-
зователи переменного электрического тока, создающие колебания. Чаще
всего применяются преобразователи, действующие по принципу пьезоэф-
фекта. При этом для возбуждения колебаний используется так называемый
«обратный», а в преобразователях для приема колебаний - «прямой» пьезо-
эффекты.
Поскольку воздушные прослойки препятствуют передаче и приему
ультразвуковых колебаний, между преобразователями и исследуемым ма-
териалом наносят контактирующую среду. Для металла применяют обыч-
но минеральное масло, для бетона и других материалов с неровной поверх-
ностью необходимы смазки более густой консистенции - солидол, техни-
ческий вазелин, эпоксидные смолы и т.д.
Условия прохождения ультразвуковых волн. Ультразвуковые коле-
бания могут быть введены в исследуемую среду узким направленным пуч-
ком - «лучом» с малым углом расхождения. Колебания частиц происходят
при этом лишь в локализованном объеме материала, ограниченном конту-
рами пучка, а исследуемый же элемент в целом остается неподвижным. Эта
возможность прозвучивания материала в заданных направлениях является
весьма существенной при проведении исследований.
Ультразвуковые волны, переходя из одной среды в другую, пре-
ломляются, а также отражаются от граней, разделяющих эти среды, что
используется для определения их распространения при данном методе кон-
троля. В воздушных прослойках ультразвуковые колебания затухают почти
полностью, что позволяет выявлять и исследовать скрытые внутренние де-
фекты: трещины, расслоения, пустоты и т.д.
Различают продольные и поперечные волны. В первом случае час-
тицы материала колеблются по направлению ультразвукового луча, а во
втором - перпендикулярно к нему. Используют также поверхностные вол-
ны, как продольные, так и поперечные, распространяющиеся лишь в по-
верхностном слое материала и позволяющие, например в металле, обнару-
живать самые мелкие поверхностные повреждения. Скорость распростра-
нения волн (своя для каждого из указанных видов материалов) является
одним из основных показателей при оценке физико-механических характе-
ристик и состояний бетона, древесины и других материалов с переменными
плотностью и влажностью.
Способы прозвучивания. По направлению ультразвуковых волн
различают два основных приема прозвучивания.
92
Сквозное - когда излучатель, возбуждающий колебания, и при-
емник, воспринимающий их, расположены с противоположных сторон ис-
следуемого объекта (рис.3.5, а, б). Направление ультразвукового луча по
отношению к поверхности материала может при этом быть как нормаль-
ным, так и наклонным, а также с использованием отражения или «эхо-
метода», когда излучатель и приемник располагаются на одной и той же
стороне (рис.3.5, в), что особенно существенно при возможности лишь од-
ностороннего доступа к объекту. Кроме того, эхо-метод удобен при ис-
пользовании не двух, а одного приемо-передающего преобразователя, ко-
торый последовательно посылает упругие волны и сам же принимает их
отражения.
Рис.3.5. Способы прозвучивания:
а - сквозное прозвучивание нормально к поверхности элемента;
б - диагональное прозвучивание: в - эхо-метод;
1 - прозвучиваемый элемент; 2 - излучающая пьезоэлектрическая пластинка;
3 - пьезопластинка, воспринимающая колебания; 4 - призма из оргстекла;
5 - направление прозвучивания; 6 - выявляемый дефект; 7 - теневая зона
93
По характеру излучения необходимо различать:
1) метод непрерывного излучения с подачей к излучателю колеба-
ний переменного тока постоянной частоты; по такому принципу были раз-
работаны первые дефектоскопы (С.Я. Соколов, 1928г.) для выявления де-
фектов в материале по направлению звуковой тени (рис. 3.5, в);
2) импульсный метод, получивший сейчас самое широкое приме-
нение как наиболее эффективный при исследованиях бетона, при дефекто-
скопии сварных швов металлоконструкций и др. В этом случае к преобра-
зователю через определенные достаточно малые промежутки времени, на-
пример, 25 или 50 раз в 1 сек, подаются короткие серии («пакеты») колеба-
ний высокой частоты.
Регистрация ультразвуковых колебании производится с помощью
специальной аппаратуры. Наиболее распространенной является передача
электрических колебаний от приемного преобразователя через усилитель
на экран электроннолучевой трубки катодного осциллографа. С большой
точностью при этом могут быть определены скорость прохождения ультра-
звуковых колебаний через исследуемый материал, интенсивность их зату-
хания, а также другие показатели, используемые при оценке результатов
измерений.
3.4.2. Область применения ультразвуковых методов
Определение динамического модуля упругости. Скорость распро-
странения упругих колебаний v связана с динамическим модулем упруго-
сти ЕдНн и плотностью р проверяемого материала соотношением
справедливым для случая продольных колебаний в стержне (одномерная
задача).
Определив экспериментально скорость распространения волны ко-
лебаний в элементе, длина которого велика по сравнению с его поперечны-
ми размерами, находим, EdUH=v\р, если плотность материала известна.
В массивных и плитных конструкциях, т. е. для случаев трехмер-
ной (пространственной) и двухмерной задач, а также для поперечных коле-
баний зависимость между Един и v определяется более сложными соотно-
шениями, в которые кроме р входит также коэффициент Пуассона р рас-
сматриваемого материала.
Для одновременного нахождения всех трех параметров (Един, Р^р)
необходимо сопоставление по крайней мере трех экспериментов по опре-
делению v, произведенных в разных условиях с применением продольных
и поперечных колебаний и в конструкциях разной размерности - простран-
ственных, плитных и стержневых.
94
Определение толщины элемента при одностороннем доступе,
В серийно выпускаемых для этой цели толщиномерах используется непре-
рывное излучение продольных ультразвуковых волн регулируемой часто-
ты. На рис.3.6 показан график распространения колебаний (условно на-
правленных не вдоль, а поперек направления луча) по толщине стенки.
Дойдя до противоположной ее грани, волна отражается и идет в обратном
направлении. Если проверяемый размер h точно равен длине полуволны
(или кратен этой величине), а противоположная грань соприкасается с ме-
нее плотной средой, то прямые и отраженные волны совпадают. Амплиту-
ды колебаний самой пьезопластинки при этом резко возрастают (явление
резонанса), что сопровождается соответствующим увеличением разности
потенциалов на ее поверхностях.
Рис. 3.6. Схема измерения толщины резонансным методом:
1 - исследуемая деталь; 2 - пьезоэлемент; 3 - совпадающие амплитуды прямой и
обратной «стоячей» волны; h - толщина детали
Замерив соответствующую резонансную частоту f и зная скорость
распространения волн по длине 2h (суммарный ход прямого и отраженного
лучей), находим проверяемую толщину по формуле:
h = —• (3.3)
2f
Для стали скорость продольных ультразвуковых волн практически
постоянна (v=5,7 105 см/сек), что дает возможность, меняя частоту в преде-
лах от 20 до 100 тыс. гц, надежно измерять толщину стенок от долей мил-
лиметра до нескольких сантиметров.
Определение глубины трещин в бетоне. Излучающий и прием-
ный преобразователи А и В располагаются симметрично относительно кра-
ев трещины на расстоянии а друг от друга (рис.3.7). Колебания, возбуж-
денные в точке А, попадут в точку В по кратчайшему пути:
АСВ = ^4h2 + а2 ,
где а - глубина трещины.
При скорости v на это потребуется время
tfi=l4h2+a2 , (3.4)
V v
определяемое экспериментально.
95
Глубину трещины находим из соотношения
где скорость v определяется обычно на неповрежденных участках поверх-
ности.
По указанному методу могут быть исследованы трещины глубиной
до нескольких метров.
Рис. 3.7. Определение глубины поверхностной трещины в бетоне:
1 - бетонный массив; 2 - трещина;
А - излучающий и В - приемный преобразователи
Следует, однако, иметь в виду следующее:
1) значения v на поверхности и в глубине массива могут несколько
отличаться;
2) длина пути АСВ немного возрастет в случае невертикальности
трещины и, наоборот, может существенно уменьшиться при наличии в тре-
щине воды, являющейся хорошим проводником ультразвуковых волн.
В ответственных случаях возможно получить данные для глубоких
трещин. Отметим также другие практически наиболее важные области
применения ультразвуковых методов.
В бетонных и железобетонных конструкциях производится:
- определение прочности бетона по корреляционным зависимо-
стям между скоростью распространения ультразвуковых волн и прочно-
стью бетона на сжатие, устанавливаемым путем параллельных ультразву-
ковых и прочностных испытаний образцов бетона заданного состава и ре-
жима изготовления (при контроле вновь изготовляемых конструкций и де-
талей) или образцов, извлеченных из возведенных сооружений. В случае
невозможности отбора образцов из уже эксплуатируемых конструкций
ориентировочное определение прочности бетона возможно по тарировоч-
ной зависимости;
- контроль однородности бетона в сооружениях;
- выявление и исследование дефектов в бетоне сквозным прозву-
чиванием (возможным и при значительных толщинах бетона - до 10м и
96
более) и путем измерений на поверхности конструкций. О наличии и харак-
тере дефектов и повреждений судят при этом по изменениям скорости про-
хождения ультразвуковых волн в пределах отдельных участков поверхно-
сти (так называемый метод годографа, т. е. графика скоростей);
- определение толщины верхнего ослабленного слоя бетона, распо-
ложения слоев разной плотности и т. п.
Наличие арматуры в железобетонных конструкциях не мешает
применению ультразвуковых методов, если направление прозвучивания не
пересекает арматурные стержни и не совпадает с ними.
В металлических конструкциях:
- импульсная дефектоскопия швов сварных соединений в стальных
и алюминиевых конструкциях;
- дефектоскопия основного материала;
- толщинометрия (определение толщин защитных металлических
покрытий; выявление ослабления сечений коррозией).
В деревянных конструкциях и конструкциях с применением
пластмасс:
- проверка физико-механических характеристик,
- проверка качества и дефектоскопия основного материала;
- дефектоскопия клеевых соединений и стыков.
3.4.3. Импульсные звуковые методы
Метод «ударной волны». Он основан на изменении скорости рас-
пространения единичных импульсов, возбуждаемых ударом легкого молот-
ка или специальными приспособлениями, например электрического дейст-
вия, для нанесения небольших ударов заданной силы. Для приема и регист-
рации сигналов может быть использована та же аппаратура, что и при
ультразвуковом импульсном методе.
Этот метод используется для контроля асфальтового и цементного
бетонов в дорожных и аэродромных покрытиях и может быть применен
также для испытания длинномерных (до 30 м) бетонных и железобетонных
элементов.
Вибрационный метод. Данный метод основан на использовании
колебаний звуковой частоты и применяется при испытаниях образцов бе-
тона (рис.3.8).
Рассматриваемый метод полезен при сооружении дорожных и аэ-
родромных покрытий для получения быстрой и надежной информации о
ходе технологического процесса и может также быть положен в основу
автоматического управления.
При этом о характеристиках материала судят по частотам, соответ-
ствующим резкому увеличению измеряемых амплитуд при наступлении
явления резонанса (откуда и другое наименование метода - «резонанс-
ный»).
в
Рис.3.8. Испытание образцов бетона резонансным методом:
а - возбуждение продольных; б и в - изгибных колебаний;
1 - испытуемый образец; 2 - пьезопреобразователи
Метод «бегущей волны». При этом оригинальном методе к реги-
стрирующему прибору, помимо сигналов, воспринимаемых приемным пре-
образователем, подводятся также сигналы генератора, возбуждающего не-
прерывные колебания. В результате сложения этих сигналов на экране
электронно-лучевой трубки появляются характерные изображения фигур
Лиссажу. Меняя частоту в пределах ультразвукового и звукового диапазо-
нов, а также положение и тип приемных преобразователей, можно наблю-
дать изображения, соответствующие продольным, поперечным и поверхно-
стным волнам и по ним оценивать характеристики материала на разной
глубине его нахождения.
3.5. Магнитные, электрические и электромагнитные методы
3.5.1. Дефектоскопия металла
Сущность метода заключается в том, что магнитный поток, прохо-
дящий в металле и пересекающий трещину или иной дефект, встречает
98
большое магнитное сопротивление в виде прослойки воздуха или неферро-
магнитного включения, а силовые линии, искривляясь, выходят на поверх-
ность, что обусловливает возникновение местных потоков рассеяния.
На рис.3.9, а показано такое искажение потока, выходящее за кон-
тур исследуемого элемента. Рассеивание будет тем значительнее, чем
больше вызывающий его дефект. В одинаковых условиях наибольшим яв-
ляется влияние дефекта, расположенного перпендикулярно к направлению
силовых линий (рис.3.9, б).
Рис.3.9. Выявление дефектов по рассеиванию магнитного потока:
а - образование местного магнитного потока рассеивания у трещины;
б - влияние ориентировки дефекта;
1 - исследуемый элемент; 2 - трещина; 3 - силовые линии магнитного поля;
4 - местный магнитный поток рассеивания; 5 - дефект, ориентированный перпен-
дикулярно магнитным силовым линиям; 6 - то же, параллельно им
Намагничивание производится с помощью электромагнитов с ис-
пользованием индукционных токов, циркулярным намагничиванием (т.е. с
пропуском тока непосредственно через исследуемый элемент) и т.д. Необ-
ходимость намагничивания в двух взаимно перпендикулярных направлени-
ях для выявления различным образом ориентированных дефектов отпадает
при применении комбинированного метода - с одновременным воздейст-
вием как постоянного поля электромагнита, так и циркулярного поля пере-
менного тока, что обусловливает переменное направление намагничивания.
Выявление дефектов производится различными методами.
Порошковый метод является самым простым и наиболее доступ-
ным. В нем применяют мелкоразмолотые ферромагнитные порошки - же-
лезный сурик, окалину и т. п., выбирая цвет порошка контрастным по от-
ношению к цвету предварительно зачищенной проверяемой поверхности.
Порошок наносится или сухим способом (напылением) либо в виде водной
суспензии, что предпочтительнее при контроле строительных конструкций,
или керосино-масляной (этот прием целесообразен при контроле смазан-
ных маслом деталей механизмов).
Над местами расположения дефектов порошок оседает в виде хо-
рошо заметных скоплений. Четче всего выявляются поверхностные дефек-
ты. Неровности сварных швов не мешают выявлению поверхностных де-
4*
99
фектов, но затрудняют исследование расположенных в глубине. Так, на-
пример, в швах толщиной 10 мм удовлетворительно в виде прямых линий
выявляются непровары, расположенные на расстоянии 2...4 мм от поверх-
ности и идущие вглубь на 3...5 мм.
Магнитографический метод широко применяется при контроле
сварных швов металлических трубопроводов. Намагничивание произво-
дится соленоидами, охватывающими или всю трубу или часть её периметра
при больших диаметрах. Витки соленоида располагаются параллельно шву
по обеим его сторонам. Для фиксации потоков рассеивания на шов накла-
дывается магнитная лента, аналогичная применяемой в магнитной звукоза-
писи, но несколько большей ширины. Использованные ленты размагничи-
ваются и становятся вновь пригодными к употреблению.
Для расшифровки записи используют звуковые индикаторы или
устройства для визуального наблюдения импульсов на экране электронно-
лучевой трубки и сопоставления их с импульсами от эталонированных де-
фектов. Имеются устройства, дающие и видимые изображения выявленных
дефектов.
Указанным методом может производиться сплошная проверка
швов. Для контроля наиболее серьезные из отмеченных дефектов дополни-
тельно просвечиваются ионизирующими излучениями. Такое комбиниро-
ванное использование разных методов оказывается весьма эффективным.
Применение магнитоскопов. В качестве примера на рис.3.10 схе-
матически показан принцип действия одного из наиболее известных при-
боров такого типа - дефектоскопа К.Х. Хренова и С.Т. Назарова. Сигналы о
наличии дефекта в производственных условиях преобразуются обычно в
звуковые, но могут быть использованы как показывающие, так и регистри-
рующие приборы (измерители тока или напряжения, осциллографы и т.п.).
Рис.3.10. Схема дефектоскопа К. X. Хренова и С. Т. Назарова:
1 - электромагнит; 2 - электромагнитный датчик; 3 - проводка к сети переменного
тока; 4 - то же, к усилителю; 5 - проверяемый элемент; 6 - дефект
100
Основным недостатком приборов рассматриваемого типа является
довольно значительная длина базы их чувствительных элементов (в данном
случае сердечника 2), что затрудняет уточнение границ и протяженности
дефектов, поскольку регистрируются усредненные данные по длине базы
искателя.
Эти затруднения в значительной степени устраняются при пользо-
вании феррозондами в виде малогабаритных линейных сердечников сече-
нием до 1...3 мм с катушками.
3.5.2. Магнитные толщиномеры
С помощью магнитных и электромагнитных приборов толщина
элементов из ферромагнитных металлов определяется с точностью до не-
скольких процентов, требуя доступа лишь с одной стороны. При этом ис-
пользуется существующая зависимость между регистрируемой величиной
магнитного потока и толщиной исследуемого материала. Приборы такого
типа просты и надежны в работе.
При доступе с двух сторон магнитными и электромагнитными
методами могут быть определены толщины и неферромагнитных ма-
териалов, что и используется для управления технологическим процессом
на поточной линии. В качестве примера на рис.3.11 приведена схема маг-
нитного толщиномера, где пара феррозондов 4 смонтирована вместе с по-
стоянным магнитом 3 в “щупе” 2. С другой стороны элемента к нему при-
жат аналогичный магнит. Положение магнита в щупе регулируется так,
чтобы при заданной толщине стенки ток от обоих феррозондов был равен
нулю. Шкала измерительного прибора 5 отградуирована на отклонения от
заданной толщины.
Рис.3.11. Схема магнитного толщиномера для немагнитных материалов:
1 - проверяемый элемент; 2 - “щуп”; 3 - постоянные магниты; 4 - феррозонды;5 -
регистрирующий прибор
101
Магнитными и электромагнитными методами с большой точно-
стью могут быть измерены также толщины защитных покрытий на метал-
лических элементах.
3.5.3. Определение напряжений с помощью
магнитоупругого тестера
Метод, основанный на возникновении магнитной анизотропии под
действием приложенных напряжений. Из числа приборов, работающих по
данному принципу, следует отметить прибор конструкции Н. Н. Максимо-
ва, схема преобразователя которого (три сердечника с пятью катушками)
показана на рис.3.12.
В центре сердечника расположена питающая.катушка /, а по диа-
гоналям его - две пары измерительных катушек (2 и 3). Магнитный поток
из средней катушки, попадая в исследуемый материал, рассредоточивается
в основном по четырем направлениям. При одинаковой магнитной прони-
цаемости потоки будут равны, а при наличии же магнитной анизотропии -
различны, что и измеряется прибором.
Рис.3.12. Схема чувствительного
элемента прибора Н. Н. Максимо-
ва для определения остаточных
напряжений:
1 - питающая катушка;
2 и 3 - измерительные катушки;
4 - исследуемый элемент.
Пунктиром со стрелками показано
направление магнитных потоков в
исследуемом элементе
Измерительная схема построена таким образом, что электродви-
жущая сила катушек может определяться как в каждой диагонали в отдель-
ности, так и по их разности и сумме. При измерениях «на разность», пово-
рачивая сердечник в плане, по экстремумам отсчетов выявляется направле-
ние главных напряжений в металле. По повторным измерениям при одина-
ковом положении сердечника можно судить о постоянстве напряженного
состояния в данной точке или об его изменении. При измерениях «по сум-
ме» можно судить о величине главных напряжений.
Необходимо иметь в виду следующее:
102
• магнитный поток, проходя в поверхностном слое металла, харак-
теризует напряженное состояние лишь у поверхности элемента;
• на результаты измерений оказывает значительное влияние на-
чальная магнитная анизотропия металла;
• при последовательных нагрузках и разгрузках появляются петли
магнитного гистерезиса, не связанные с механическими напряжениями.
Другим перспективным направлением оценки напряженного со-
стояния металла по его магнитным характеристикам является метод «маг-
нитных меток». Сущность его заключается в наведении внешним маг-
нитным полем остаточной намагниченности в отдельных локализованных
зонах исследуемого металла. При изменении напряженного состояния по-
следнего меняется и намагниченность этих “меток”, являющихся таким
образом своеобразными индикаторами механических напряжений.
Наведение и индикация намагниченности меток производятся с
помощью специальных переносных приборов.
Рассматриваемый метод предложен для контроля натяжения арма-
туры в железобетонных конструкциях. Как наведение, так и индикация со-
стояния гранитных меток, могут осуществляться на оголенной арматуре до
ее бетонирования и в уже забетонированных деталях и конструкциях - че-
рез защитный слой бетона.
Необходимо подчеркнуть следующее:
• данным методом выявляется лишь изменение напряженного со-
стояния по сравнению с имевшим место при нанесении меток;
• переход от измерения остаточной намагниченности меток к ме-
ханическому напряжению в арматуре может быть произведен лишь при
наличии экспериментально установленной зависимости для данной армату-
ры, поскольку для разных меток металла эта зависимость не является ста-
бильной;
• чередование нагрузок и разгрузок сопровождается появлением
петель магнитного гистерезиса. Для исключения их влияния требуется по-
вторное нанесение меток перед переменой знака изменения напряжений.
Возможны и другие методы оценки напряженного состояния ме-
талла, например, по изменению электрического сопротивления (проводи-
мости) и токовихревой, успешно разрабатываемые в настоящее время.
Приборы рассматриваемого типа надежны и удобны в применении.
3.5.4. Приборы магнитно-индукционного типа
Для выявления положения и глубины залегания арматуры предло-
жены магнитометрические приборы, состоящие из двух постоянных маг-
нитов, в центральной части магнитного поля, которых расположен на
оси небольшой магнит, соединенный со стрелкой-указателем. При при-
103
ближении к арматуре напряженность магнитного поля в средней точке из-
меняется, что обусловливает возникновение магнитного момента, повора-
чивающего магнитик со стрелкой. Экстремум отклонения указателя соот-
ветствует расположению прибора на поверхности контролируемого изде-
лия над осями арматурных стержней, а отклонение стрелки указывает на
толщину защитного слоя бетона.
Принцип действия одного из наиболее распространенных прибо-
ров индукционного типа схематически показан на рис.3.13.
Индуктивный преобразователь 1 передвигается по поверхности ис-
следуемой железобетонной конструкции или детали. Отдельно от него в
корпусе прибора помещен аналогичный преобразователь с ферромагнит-
ным смещаемым элементом 3, предназначенным для изменения индуктив-
ного сопротивления при балансировке схемы. По мере приближения пре-
образователя 1 к арматурному стержню разбаланс, зависящий от толщины
защитного слоя, диаметра стержня и ориентировки преобразователя по от-
ношению к его направлению, будет уменьшаться.
Шкала отсчетного устройства прибора проградуирована в милли-
метрах защитного слоя для арматурных стержней разного диаметра.
Рис.3.13. Индукционный прибор для проверки положения
и диаметра арматуры и толщины защитного слоя:
1 - выносной индуктивный преобразователь; 2 - преобразователь в корпусе прибо-
ра: 3 - стержень для регулирования индуктивного сопротивления; 4 - проводка к
источнику переменного тока; 5 - проводка к отсчетному устройству; 6 - железобе-
тонный элемент; 7 - арматурный стержень
Установив расположение стержней, передвигают преобразователь
вдоль контролируемого стержня до положения, соответствующего мини-
мальному отсчету, следя за тем, чтобы преобразователь находился между
пересечениями арматуры. Записав толщины защитного слоя по шкалам
всех диаметров, повторяют отсчет, поместив между бетоном и преобразо-
104
вателем прокладку, толщиной, например, Юлш из оргстекла, дерева или
другого диамагнетика. Диаметр арматуры будет соответствовать той из
шкал, разность отсчетов по которой окажется равной именно Юлш.
3.5.5. Определение влажности древесины
По замеренному электрическому сопротивлению можно судить о
состоянии материала в конструкции, пользуясь соответствующими зависи-
мостями между электропроводимостью и влажностью для данного сорта
дерева.
Измерения производятся с помощью игольчатых электродов, за-
глубляемых в древесину на 5...10лш, что характеризует элект-
росопротивление ее поверхностного слоя. Для элементов, эксплуатируемых
в течение длительного времени при постоянном температурно-
влажностном режиме (например, для внутренних несущих конструкций в
сооружениях), по этим данным можно судить о влажности по всей толщи-
не сечений элементов.
3.6. Методы, основанные на использовании
ионизирующего излучения
Неразрушающий контроль с помощью ионизирующих излучений
эффективно используют во всех областях народного хозяйства.
В настоящее время в строительстве широко применяют контроль
рентгеновскими и гамма-излучениями для оценки физико-механических
характеристик материалов и качества конструкций. При определении
влажности материала оказывается целесообразным использование потока
нейтронов.
Преимуществом применения ионизирующих излучений является
возможность быстрого и четкого получения определяемых характеристик.
Работа с соответствующей аппаратурой хотя и не сложна, но требует нали-
чия подготовленного для этой цели персонала. Необходимо также тща-
тельное соблюдение требований техники безопасности во избежание вред-
ного влияния ионизирующих излучений на организм человека.
3.6.1 Область применения рентгеновского и гамма-излучений
Наиболее важные направления для исследования дефектов в ме-
таллических конструкциях следующие.
Дефектоскопия сварных соединений. На рис.3.14 схематически
показано просвечивание сварного шва. Наличие и положение дефекта выявля-
105
ется на получаемом фотоснимке по более затемненному участку, воспроиз-
водящему очертания отмечаемого дефекта.
1
м 11 гТ" 6
б
6
Рис.3.14. Выявление дефекта в сварном шве:
а - схема просвечивания; б - эталон чувствительности (дефектометр);
1 - ионизирующий поток; 2 - наваренный металл шва; 3 - основной металл;
4 - дефект; 5 - фотопленка; 6 - эталон чувствительности
О величине его в направлении просвечивания судят сравнивая ин-
тенсивность вызванного им затемнения с затемнением, соответствующим
пропилам разной глубины на эталоне чувствительности (рис.3.14, б) из ана-
логичного материала, проецируемым на тот же снимок.
Глубина расположения дефекта выявляется смещением источника
излучения параллельно фотопластинке.
Схема определения положения дефекта незначительной толщины
показана на рис.3.15. При этом расстояние х от дефекта до поверхности
снимка определяется из соотношения
cF
(3.6)
где с, с ' и F - размеры, показанные на рис.3.15.
При дефектах одинакового размера и формы интенсивность по-
темнения будет наибольшей при совпадении направления дефекта с на-
правлением просвечивания (рис.3.16, поз. 2).
При расположении дефекта под некоторым углом (рис.3.16, поз.
2') излучения будут пересекать его по меньшему протяжению. Минималь-
ная длина до пересечения, а следовательно, и наименьшая интенсивность
потемнения, соответствует ориентировке дефекта перпендикулярно на-
правлению просвечивания (рис.3.16, поз. 2").
106
Рис.3.15. Определение глубины расположения дефекта:
1 - просвечиваемый элемент; 2 - дефект; 3 - фотопленка; 4 и 4' - источник излу-
чения в двух позициях; 5 и 5* - затемненные участки фотопленки; с - смещение
источника излучения; с' - смешение центра заснятого изображения; F - фокусное
расстояние; х - расстояние от фотопленки до горизонтальной оси дефекта.
Рис.3.16. К влиянию ориентации дефекта:
1 - просвечиваемый элемент; 2,2', 2” - различные ориентации дефекта;
3 - источники излучения; 4 - направления просвечивания
Дефекты незначительной толщины могут при этом остаться и не-
обнаруженными. Отсюда следует важный вывод, что при применении ио-
низирующих излучений могут быть пропущены серьезные дефекты, но с
малым раскрытием в направлении просвечивания (например, расслоение
107
металла). Во избежание этого просвечивание следует производить по двум
несовпадающим направлениям.
В то же время именно перпендикулярные к заданному направлению
дефекты наиболее четко устанавливаются ультразвуковыми методами, по-
скольку даже самые незначительные воздушные прослойки почти полностью
гасят волны ультразвуковых колебаний. Оба метода контроля - ультразвуко-
вой и с помощью ионизирующих излучений - таким образом, дополняют друг
друга.
2. Определение напряженного состояния металла. Зная длину
волны монохроматического рентгеновского излучения и угол падения его
лучей на поверхность проверяемой детали, можно на основании замеров на
соответствующих рентгенограммах вычислить основной параметр кри-
сталлической структуры исследуемого материала - расстояние между цен-
трами атомов в его кристаллической решетке. Сопоставляя полученное
значение с величиной того же параметра в ненапряженном состоянии,
можно определить упругую деформацию материала.
Таким образом, может быть выделена (что без нарушения сплошно-
сти неосуществимо другими методами) упругая составляющая деформиро-
ванного состояния металла: в сварных швах после их остывания, в зонах рез-
ких перепадов напряжений, в деталях, обработанных давлением, например
гнутых профилях, и т. д. Измерения при этом производятся (что также очень
существенно) на весьма малых участках поверхности (порядка десятых долей
мм2).
Однако рассматриваемый метод требует применения сложной ап-
паратуры и большой тщательности всех измерений. В то же время напря-
жения могут быть оценены лишь со сравнительно незначительной точно-
стью (для стали - порядка 100-200 кгс/см2).
Дальнейшие разработки по усовершенствованию рентгеноскопиче-
ского метода определения напряжений продолжаются.
В бетоне и железобетоне производятся:
1) определение объемной массы (плотности) как уплотненной бе-
тонной смеси, так и бетона в изделиях и конструкциях путем измерения
ослабления или рассеивания потока гамма-излучений в бетоне.
На рис.3.17 схематически показано проведение соответствующих
измерений. В бетонную смесь погружают зонды различной формы, при по-
мощи, которых получают значения плотности или послойно (рис.3.17, а), или
усредненно для всей высоты контролируемого слоя (рис.3.17, в). Возможно
также применение преобразователя поверхностного типа, регистрирующего
рассеянное излучение и не требующего погружения в толщу бетонной смеси.
Контроль бетона в готовых изделиях и конструкциях толщиной до
500 мм, имеющих параллельные грани, осуществляется просвечиванием с
применением П-образной скобы (рис.3.17, б). При толщине более 500 мм, а
108
также при одностороннем доступе к конструкции используется метод регист-
рации рассеянного излучения. В массивных конструкциях возможно также
применение зондов, опускаемых в специально пробуренные отверстия.
Измерения должны проводиться на расстоянии не менее 100 мм от
края конструкции или формы (для бетонной смеси) и от арматуры диамет-
ром от 8 мм. Значения плотности берутся по шкале регистрирующего при-
бора, проградуированной в единицах плотности;
Рис.3.17. Определение плотности бетона и бетонной смеси:
а - Г-образный зонд; б - П-образная скоба; в - Т-образный зонд;
1 - источник излучения; 2 - приемник излучения; 3 - проводка к регистрирующе-
му прибору; 4 - пучок излучений: 5 - рассеивание излучения; 6 - защитный эк-
ран; 7 - бетонная смесь; 8 - бетонная смесь или бетон (в изделиях и конструк-
циях); 9 - бетонный элемент; 10 - металлическая скоба
2) контроль однородности и дефектоскопию бетона производят
сопоставлением результатов просвечивания в различных участках и точках
конструкции. Отдельные дефектные участки целесообразно фиксировать на
снимках. Для отчетливого выявления трещин просвечивание следует вести
под углом не более 5° к их направлению;
3) определение положения и диаметра арматуры, а также толщи-
ны защитного слоя бетона. Схема просвечивания показана на рис.3.18. Диа-
метр арматуры d и толщина защитного слоя бетона b определяются из выра-
жений:
(3.7)
где размеры с, с', d'nF показаны на рис.3.18.
109
Рис.3.18. Определение диаметра арматуры и толщины защитного слоя бетона:
1 - просвечиваемый бетонный элемент; 2 - арматурный стержень; 3 - фотопленка,
приложенная к нижней поверхности элемента; 4 и 4’ - положения источника излу-
чения; а - расстояние от центра стержня до нижней грани элемента; b - толщина
защитного слоя; с - перемещение источника излучения; с’ - сдвиг края проекции
при перемещении источника излучения из 4 в 4'; d - диаметр стержня; d' - проек-
ция стержня на фотопленку; F - фокусное расстояние
Перспективным является применение легких переносных бетатро-
нов, обладающих высокой чувствительностью и большой проникающей
способностью излучения.
3.6.2. Область применения нейтронного излучения
Для просвечивания деталей и конструкций применяют переносные
источники нейтронных излучений. Поскольку нейтроны, как электрически
нейтральные частицы, непосредственно на фотопленку не действуют, поль-
зуются следующими приемами:
1) при «прямом» методе рядом с фотопленкой помещают нейтро-
активизируемый металлоэкран. Проходя через последний, нейтроны воз-
буждают в нем поток гамма-излучений, фиксируемый на пленке;
2) при «косвенном» методе облучению нейтронами подвергается
металлический экран, который тотчас переносится в фотокассету, где наве-
денное гамма-излучение облучает пленку. Этот способ дает более четкие
изображения. Применяются также и другие методы регистрации.
ПО
Особенностью нейтронного потока является то, что как замедление
скорости нейтронов, так и их рассеивание тем значительнее, чем легче ато-
мы просвечиваемого материала.
Наиболее эффективным оказывается поэтому применение нейтро-
нов для определения влажности материалов - бетона, древесины и др.
(различаются при этом атомы водорода как свободной, так и химически
связанной воды); выявления в бетоне пор, заполненных водой, которые поч-
ти совершенно не обнаруживаются другими методами; просвечивания пла-
стмасс, в том числе расположенных за металлическими оболочками и т. д.
В сварных швах металлоконструкций нейтронными излучениями
выявляются ликвации (неоднородности химического состава сплавов, воз-
никающие при кристаллизации), не обнаруживаемые рентгеновскими и
гамма-методами.
Разработка нейтронных методов испытаний продолжается.
3.7. Радиодефектоскопия, инфракрасная дефектоскопия
и голографические методы
Радиоволновой метод с использованием спектра частот сантимет-
рового и миллиметрового диапазонов. Выявляются как прошедшие через
материал электромагнитные колебания («теневой» метод), так и отражен-
ные и рассеянные излучения, изменением резонанса системы, образованной
излучателем и исследуемым элементом (резонансный метод), и др.
Применение радиоволновых излучений эффективно при контроле
пластмасс, древесины (в том числе и в клееных конструкциях), бетона, же-
лезобетона и других материалов. Радиоволновой метод дает возможность
исследовать как начальную стадию зарождения очагов нарушения сплош-
ности, так и ход дальнейшего развития дефектов.
В тепловых методах регистрируются: 1) инфракрасное излучение
от внешнего источника, отраженное от исследуемого материала или про-
шедшее сквозь него и 2) местные отклонения собственных инфракрасных
излучений поверхности проверяемого элемента, нагретого, например, про-
пуском тока через электропроводящие материалы.
Местные нарушения картины температурного поля являются чув-
ствительными показателями наличия дефектов, в том числе и скрытых, не
выявляемых при применении других методов контроля.
Перспективны голографические методы, позволяющие получать
при изменении условий рассмотрения одной и той же заснятой «голограм-
мы» объемные изображения такими, какими они видны при различной ори-
ентации точки зрения наблюдателя при непосредственном рассмотрении
объекта.
111
В заключение следует подчеркнуть, что особо эффективным при
неразрушающих методах контроля является комплексное применение раз-
личных методов, базирующихся на разных физических принципах, взаимно
контролирующих и дополняющих друг друга.
3.8. Приборы неразрушающего контроля нового поколения
В последние годы в России отечественными учеными создан целый
комплекс малогабаритных электронных приборов неразрушающего кон-
троля и неразрушающей дефектоскопии, которые позволяют:
- определять влажность, температуру и коэффициент теплопро-
водности различных материалов, из которых изготовлены строительные
конструкции;
- выявлять наличие микротрещин, выходящих на поверхность ме-
таллоконструкций, ферромагнитных деталей и сварных швов;
- косвенно контролировать прочность бетона, толщину защитного
слоя и диаметр арматуры в железобетонных конструкциях.
Разработкой и производством электронных приборов нового поко-
ления успешно занимается НПО "Карат" и СКВ "Стройприбор (г. Челя-
бинск).
Все выпускаемые прибора сертифицированы Госстандартом Рос-
сии и широко используются как внутри страны, так и за рубежом.
Созданные приборы обладают большим набором сервисных функ-
ций и универсальностью, имеют легкие и удобные датчики нестандартной
конструкции. Они оснащены автономной 9-клавишной клавиатурой и гра-
фическим дисплеем с подсветкой, обеспечивают высокий уровень инфор-
мативности, легко адаптируются к условиям пользователя.
Высокая достоверность измерений обеспечивается специальной
интеллектуальной обработкой собранной информации с учетом ряда техни-
ческих, эргономических и технологических факторов.
Все приборы имеют автономный высокоскоростной процессор и
электронную записную книжку для хранения информации, собранной в
полевых условиях. Одновременно созданные приборы оснащены интер-
фейсами и имеют инфракрасную связь с компьютером, позволяющую сбра-
сывать всю информацию, накопленную в полевых условиях, в память пер-
сонального компьютера, имеющего класс не ниже 386.
Разработанные приборы оснащены специальными компьютерными
программами для считывания памяти приборов, хранения и документиро-
вания полученных результатов измерений.
Технические параметры и область применения всех указанных при-
боров более детально представлены ниже.
112
3.8.1. Влагомер универсальный ВИМС-1
Влагомер ВИМС-1 (рис. 3.19) измеряет влагосодержание различ-
ных материалов (бетон, кирпич, песок, древесина, асфальт, зерно и т.п.).
Применим для технологического контроля различных производств, при
обследовании зданий и конструкций.
Прибор содержит индивидуальные настройки по видам материа-
лов, обладает возможностью оперативной адаптации под условия потреби-
теля, обеспечивает представительность измерений и высокий уровень сер-
виса. Комплектуется 3 видами датчиков:
планарный - для поверхностей;
емкостной - для сыпучих материалов;
угловой - для повышенной глубины контроля.
Рис. 3.19. Влагомер универсальный ВИМС-1
Диапазон измерения влаж-
ности
Предел погрешности
Габариты прибора
0...100%
4%
145x72x25 мм
Имеет память для тысячи результатов (по влажной и сухой базам) с
фиксацией вида материала, даты и времени измерений. Оснащен оптоинтер-
фейсом и компьютерной программой для анализа и документирования ре-
зультатов.
Ведутся работы по расширению номенклатуры контролируемых
материалов и по созданию новых датчиков.
113
3.8.2. Многоканальный терморегистратор ТЕРЕМ-2.Х
Назначение - измерение, регулирование, регистрация и просмотр
информации от термодатчиков при контроле технологических процессов в
различных отраслях промышленности, а также при исследованиях темпера-
турных полей, теплозащитных свойств конструкций и сооружений и т.д.
Применим при контроле других параметров - давления, влажности, расхо-
да, сигналов тока и напряжения.
Прибор (рис.3.20) имеет интерфейс связи с ЭВМ и средства про-
граммной поддержки для анализа полученной информации, ее документи-
рования в табличной и графической формах.
Количество каналов
Диапазон температур
Предел погрешности
Длина линии связи с датчиками
Период измерения
Количество отсчетов
Время хранения информации
8
-50 ...+ 1200°С
0,5%
до 500 м
1 сек ... 60 мин.
до 10000
не ограничено
Рис. 3.20. Многоканальный терморегистратор Терем-2.х
Выпускается также модификация регистратора ТЕРЕМ-2.2.Х с боль-
шим графическим дисплеем, дополнительным каналом для измерения влаж-
ности среды и представлением измерений в виде температурно-временного
графика.
114
3.8.3. Измеритель теплопроводности ИТП-МГ4
Микропроцессорный прибор ИТП-МГ4 (рис.3.21) предназначен
для оперативного контроля теплопроводности строительных материалов в
образцах методом измерения плотности стационарного теплового потока по
ГОСТ 7076 и методом теплового зонда в образцах, изделиях или на объек-
тах.
Прибор обеспечивает определение коэффициента теплопроводно-
сти бетонов различного состава, растворов, силикатного и керамического
кирпича, а также различных теплоизоляционных материалов в диапазоне
0,03...0,8 Вт/м°С. Индикация результата измерений - цифровая, в единицах
коэффициента теплопроводности - ВТ/м°С.
Технические характеристики прибора ИТП-МГ4:
Диапазон определения коэффициента
теплопроводности
Время измерения:
- в стационарной установке
- тепловым зондом
Погрешность измерения:
- в стационарной установке
- методом теплового зонда
0,03...0,80 Вт/м°С
не более 3 часов
не более 10 минут
не более ± 7%
не более ± 10%
не более 3,0 кг
220В
Масса прибора
Питание от сети переменного тока
Рис. 3.2L Измеритель теплопроводности ИТП - МГ4
115
В отличие от аналогов, прибор ИТП-МГ4 позволяет производить
намерение двумя способами: в лабораторных условиях в стационарной ус-
тановке на образцах толщиной от 15 до 30мм или на объекте с помощью
теплового зонда. Процесс измерения после установки датчика автоматизи-
рован и не требует присутствия оператора.
В комплект поставки входят: электронный блок, зонд, стационар-
ная тепловая установка, сумка, контрольный образец из оргстекла, паспорт.
3.8.4. Измеритель прочности бетона ОНИКС-2.3
Измеритель прочности бетона (склерометр) ОНИКС-2.3 (рис.3.22)
предназначен для оперативного определения прочности и однородности бе-
тона ударно-импульсным методом при технологическом контроле, обследо-
вании зданий, сооружений и конструкций. Применим для оценки прочности,
твердости, пластичности и однородности различных материалов (кирпич,
растворные швы и т.п.). Имеет настройку по видам материалов с возмож-
ностью индивидуальной калибровки пользователем под свою продукцию.
Диапазон 2...100 МПа
По1решность 5%
Память 1000 серий или 200 серий
по 15 ударов
Прибор обеспечивает обработку серий ударов с фиксацией даты и
времени их выполнения, коэффициента вариации и размаха, вида мате-
риала. Учитывает возраст бетона и температуру. Оснащен оптоинтерфей-
сом и программой обработки результатов.
Рис. 3.22. Измеритель прочности бетона
116
3.8.5. Прибор универсальный ультразвуковой ПУЛЬСАР-1.0
Прибор ПУЛЬСАР-1.0 предназначен для измерения времени и ско-
рости распространения ультразвуковых волн в твердых материалах при
поверхностном и сквозном прозвучивании.
Прибор (рис. 3.23) позволяет определить прочность, плотность и
модуль упругости по предварительно установленным корреляционным за-
висимостям, а также ультразвуковой индекс абразивных материалов.
Основные виды контролируемых материалов, заложенные в меню
прибора: бетон (тяжелый, легкий); два вида кирпича (керамический и сили-
катный) и по четыре вида углеграфита и абразивов.
В приборе заложен режим "эхо-локации" для измерения толщины
однородных материалов при одностороннем доступе (находится в стадии
доводки).
Рис. 3.23. Прибор универсальный ультразвуковой ПУЛЬСАР-1.0
Прибор выпускается с базовой настройкой, ориентированной на
узко-ограниченное число сырьевых источников. Для обеспечения паспорт-
ных характеристик требует калибровки в условиях пользователя.
Конструкция датчика обеспечивает работу прибора с сухим кон-
тактом (титановые наконечники) на фиксированной базе 100 мм, с сухим
контактом (титановые наконечники или полиуретановые протекторы) при
сквозном, поверхностном и угловом прозвучивании на произвольной базе.
Для реализации режима "эхо-локации" требуется высокочастотный
датчик специальной конструкции (находится в стадии разработки).
117
мерения
Основные технические характеристики прибора ПУЛЬСАР-1.0
Диапазон измерения времени 10... 2000 мкс
Диапазон измерения скорости 1000... 10000 м/с
Дискретность времени 0,1 мкс
Предел относительной погрешности из-
времени и скорости 1 %
Фиксированная база измерений 95... 100 мм
Диапазон изменения базы 50... 1000 мм
Напряжение возбуждения до 600 В
Рабочая частота колебаний 60 кГц
Память результатов 200 серий
Питание от 3 аккумуляторов АА 3,6 В
Потребление 50 мА
Продолжительность работы до 30 часов
Габаритные размеры прибора 190x105x58 мм
Габаритные размеры преобразователей 036x62 мм
Масса прибора 500 г
Масса датчика 540 г
Рабочие условия эксплуатации: диапазон температур -10...+50 °C,
относительная влажность воздуха до 60%, атмосферное давление 86... 106
кПа.
Прибор ПУЛЬСАР-1.0 соответствует обыкновенному исполнению
изделий третьего порядка по ГОСТ 12997-84.
3.8.6. Дефектоскоп вихретоковый ВДЛ-5М
Дефектоскоп вихретоковый ВДЛ-5М (рис.3.24) производит поиск
микротрещин, выходящих на поверхность металлов, в конструкциях, дета-
лях, сварных швах, лопатках турбин и т.п.
Рис. 3.24. Дефектоскоп вихретоковый ВДЛ - 5М
118
Поиск осуществляется ручным сканированием контролируемой
поверхности с локализацией дефекта по световому и звуковому сигналам, с
оценкой дефектов по цифровому индикатору. Прибор имеет органы авто-
матической настройки на любой тип стали и регулировку чувствительно-
сти, позволяющую устранить влияние шероховатости поверхности.
Эффективный радиус контроля
Минимальная глубина дефекта
Минимальная длина дефекта
Ширина раскрытия трещины не менее
Габариты датчика
2,5 мм
0,25 мм
2,0мм
5 мкм
015x25мм
Применим для перлитных и аустенитных сталей. При необходимо-
сти конструкция датчика выполняется по спецзаказу.
В стадии разработки находится новая модификация дефектоскопа,
определяющего класс контролируемого материала.
3.8.7. Измеритель защитного слоя бетона ПОИСК-2.3
Определяет толщину защитного слоя бетона и положение армату-
ры в железобетонных изделиях и конструкциях при обследовании объектов
и технологическом контроле (рис. 3.25).
Рис. 3.25. Измеритель защитного слоя бетона ПОИСК-2.3
Режимы работы: измерения при известных диаметре и марке стали;
определение неизвестного диаметра; сканирование; настройка по образцам
сталей; автоматическая калибровка; просмотр результатов на дисплее и их
пересылка на компьютер.
Диапазон толщин (для 032...50)
Диапазон диаметров
Погрешность
Температурный режим
0... 170 мм
3 ... 50 мм
4%
-5...+50 °C
119
Полноценное представление результатов в текстовой и графиче-
ской формах, с тональным поиском арматуры. Наличие областей памяти
для всех режимов работы с фиксацией результатов, вида арматуры, типа
стали, даты и времени.
Прибор поставляется с оригинальной компьютерной программой.
3.8.8. Толщиномер ультразвуковой УТ-93П
Толщиномер ультразвуковой УТ-93П, в дальнейшем - толщино-
мер, предназначен для измерения толщины изделия из конструкционных
металлических сплавов при односторонним доступе к ним. В толщиномере
используется контактный способ обеспечения акустического контакта пу-
тем прижатия контактной поверхности преобразователя к поверхности кон-
тролируемого объекта без сканирования поверхности объекта.
Толщиномер при известном значении толщины может использо-
ваться также для измерения скорости распространения продольных УЗК в
диапазоне 4400-6400 мм/с в материале изделий, имеющих толщины от 20
до 300 мм.
Толщиномер может применяться для измерения толщин стенок ем-
костей, труб, трубопроводов, а также толщин мостовых, корпусных, транс-
портных и других конструкций и изделий, в том числе с координатными
поверхностями, в процессе их эксплуатации или после изготовления на
энергетических, трубопрокатных, машиностроительных и других предпри-
ятиях.
Толщиномер предназначен для эксплуатации в следующих услови-
ях:
1) температура окружающего воздуха от минус 10 до плюс 50°С;
2) относительная влажность окружающего воздуха 95% при
температуре 35°С и более низких температурах без конденсации влаги;
3) атмосферное давление от 84 до 106,7 кПа.
Толщиномер устойчив к воздействию соляного тумана.
По защищенности от воздействия твердых тел (пыли) и воды тол-
щиномер соответствует исполнению IP53 по ГОСТ 14254-80.
Диапазоны измерения различными преобразователями отражены в
табл. 1.
Таблица 1
Условные обозначения преобразователя Диапазон измерения, мм
П112-10-6/2-А-001 П112-10-4х4-Б-003 П112-5-4х4-А-003 П112-5-4х4-Б-003 П112-5-12/2-Б-002 Ш 12-2,5-12/2-Б-002* 0,6- 10 0,6 - 30 2-20 0,8 - 200 1-300 2-1000
120
Толщиномер является ультразвуковым контактным толщиномером
общего назначения по ГОСТ 25863-83.
Диапазон измерения толщиномера по стали или по алюминию из-
меняется от 0,6 до 1000мм.
Предел допускаемого значения основной погрешности тол-
щиномера +0,1 мм в диапазоне измерения от 0,6 до 300 мм и от 20 до 300 мм
и ± (0,00 IX + 0,1)мм. Дискретность цифрового отсчетного устройства тол-
щиномера 0,1мм.
3.8.9. Виброметр строительный ВИСТ-2
Виброметр строительный ВИСТ-2 предназначен для определения
параметров колебаний различных виброустановок, вибродиагностики осно-
ваний и фундаментов машин, механизмов. В режимах непрерывной инди-
кации и дискретных отсчетов прибор одновременно измеряет три парамет-
ра: виброскорость, амплитуду и частоту колебаний. Имеет долговременную
память до 100 результатов по трем параметрам (рис. 3.26).
Рис. 3.26. Виброметр строительный ВИСТ-2
Малогабаритный датчик устанавливается на объекте контроля с
помощью магнитного основания или шпильки.
Диапазон амплитуд
Диапазон виброскорости
Диапазон частот
Предел погрешности
Габариты датчика
0,1-3 мм
0,1 - 1000 мм/с
5 - 200 Гц
5%
025x32
121
В настоящее время НПО “Карат” разрабатывает виброметр-
анализатор спектра частот.
3.8.10. Измерители механических напряжений
и колебаний ИНК -2, ИНК-2К
Назначение - измерение напряжений в различных видах
преднапряженной арматуры железобетонных конструкций и изделий, а
также параметров колебаний виброустановок для уплотнения бетонной
смеси. Измеряемые параметры: напряжение, отклонение от проектного
значения и поправка на длину реза стержней; виброскорость, амплитуда и
частота колебаний.
Прибор обладает уникальной помехоустойчивостью. Имеет память
200 результатов по всем параметрам. Комплектуется 2 видами датчиков на-
пряжений и вибродатчиком с магнитным креплением (рис.3.27).
Рис. 3.27. Измерители механических напряжений и
колебаний ИНК -2, ИНК-2К
Диапазон напряжений
Диапазон виброскорости
Диапазон амплитуд
Диапазон частот
Предел по1решности
50-2000 МПа
0,1-200 мм/с
0,1-3 мм
5 - 200 Гц
3%
Прибор ИНК-2 предназначен только для измерения механических
напряжений. Комбинированный прибор ИНК-2К дополнительно
комплектуется вибродатчиком.
122
3.8.11. Измеритель активности цемента ИПЦ-МГ4
Прибор предназначен для определения активности цемента
(рис.3.28). Диапазон рабочих температур от плюс 10°С до плюс 40°С,
относительная влажность воздуха до 80%, атмосферное давление от 630 до
800 мм рт. ст. (86.106,7 кПа).
клавиатура соединительный емкость испытуемый электроды
разъем раствор
Рис.3.28. Общий вид прибора ИПЦ-МГ4
Технические характеристики
Прибор обеспечивает определение активности цемента в диапазоне
от 10 до 60 МПа.
Питание прибора осуществляется от пяти аккумуляторов типа Д-
0,26, напряжение питания 6В.
Ток, потребляемый от батареи 5Д-0.26, не более 8 мА.
Время непрерывной работы прибора без подзарядки аккумуляторов
не менее 25 часов.
Габариты: - блока электронного - 175x90x30мм;
- датчика - 080x140мм.
Масса прибора с датчиком не более 1,2кг.
Время одного измерения не более 60 секунд.
4. ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ
КОНСТРУКЦИЙ И СООРУЖЕНИЙ
4.1. Классификация видов подобия при моделировании
Моделирование основано на подобии процессов и явлений, проте-
кающих в разных агрегатах. Впервые теорему о механическом подобии
сформулировал И.Ньютон в 1636г. Существенный вклад в развитие теории
моделирования внесли ученые разных стран - Эйлер, Фурье, Бертран, Ко-
ши, Рейнольдс, Фруд и др. В России автором классических трудов по тео-
рии подобия был академик В.Л. Кирпичев, в 1874г. он сформулировал и
доказал третью теорему подобия. В 1911г. преподаватель Петербургского
политехнического института А. Федерман доказал теорему, из которой ос-
новная л-теорема теории подобия выводится как следствие.
С точки зрения физической природы моделируемых явлений раз-
личают два вида подобия'.
- математическое (одинаковая форма уравнений, описывающих
физически разнородные явления);
- физическое (одинаковая физическая природа подобных явлений).
По полноте соответствия модели натуре указанные виды подо-
бия делятся:
- абсолютное (требует тождества явлений);
- полное (осуществляется во времени и пространстве);
- неполное (во времени или в пространстве);
- приближенное (связано с упрощающими допущениями, заведомо
известными и оцениваемыми количественно).
По природе явлений физическое подобие можно разделить:
- механическое (сумма кинематического, материального и динами-
ческого подобий);
- газодинамическое, тепловое;
- электрическое, физико-химическое и др.
Примерная классификация видов подобия при моделировании про-
цессов приведена на рис. 4.1.
Таким образом, сущность инженерного моделирования состоит в
том, что натурный объект на основе принципов теории подобия заменяется
его аналогом-моделью.
4.2. Теоремы подобия
Теоретическая основа моделирования - теория подобия, которая
устанавливает определенные соотношения между геометрическими разме-
рами, свойствами материалов, нагрузками и деформациями модели и на-
турной конструкции.
124
Моделирование
Рис. 4.1. Классификация видов подобия
Все виды подобия подчиняются трем теоремам.
Первая теорема указывает необходимые условия подобия и фор-
мулирует свойства подобных систем: явления или системы называются по-
добными, если равны их соответствующие критерии подобия, составленные
из параметров системы.
Вторая теорема подобия (л-теорема) доказывает возможность
приведения уравнения процесса к критериальному виду: функциональная
связь между характеризующими процесс величинами может быть пред-
ставлена в виде зависимости между составленными из них критериями по-
добия.
Третья теорема подобия показывает пределы закономерного рас-
пространения единичного опыта: необходимыми и достаточными условия-
ми подобия являются пропорциональность сходственных параметров, вхо-
дящих в условия однозначности, а также равенство критериев подобия изу-
чаемого в натуре и на модели явления.
К условиям однозначности относятся не зависящие от механизма
явления факторы системы: геометрические свойства; физические парамет-
ры; начальные условия; начальное состояние; граничные или краевые усло-
125
вия; взаимодействие с внешней средой. Если рассматриваются сложные,
нелинейные или анизотропные системы, то необходимо соблюдать и ряд
дополнительных положений.
4.3. Определение критериев подобия
Для изученных часто моделируемых процессов основные критерии
подобия известны. Для неизученных процессов они определяются двумя
основными способами: интегральных аналогов (если известно уравнение
процесса) и способом, основанным на л-теореме. В последнем случае дос-
таточно знать только параметры процесса.
Способ интегральных аналогов основан на свойстве физических
уравнений - одинаковой размерности всех их членов. Критерии подобия
находят следующим образом. Пусть имеются два одинаковых уравнения,
описывающих физический процесс в натуре и модели:
«’м+•••+«’„= 0;
<Рь.+<Р2м +-+<Рт =0,
(4.1)
где <р - однородная функция параметров элементов системы и процесса.
Уравнения натурального и моделируемого процессов в результате
деления на один из членов приводятся к безразмерному виду
1 + +... + = 0;
<Ры <Ры
1 + ^- + ...+^- = 0.
(4.2)
<Р,м <Р,М
После этого в них опускают символы дифференцирования и интег-
рирования (если уравнения дифференциальные или интегральные) и ис-
ключают имеющиеся неоднородные функции. Полученные комплексы счи-
таются основными критериями подобия:
_ _ ^2.м
_ У*» _ <Р„
Если в уравнении процесса имеются неоднородные функции, то к (п-1)-му
критерию необходимо добавить еще критерии - аргументы неоднородных
функций.
Способ, основанный на л-теореме, более общий и по сравнению с
первым обладает рядом преимуществ, основным из которых служит воз-
можность нахождения критериев без использования уравнения процесса.
Например, большинство явлений, происходящих в металлургическом агре-
126
гате, математически не описаны, поэтому рассмотрим данный способ
подробнее.
Пусть процесс характеризуется параметром Р, на который влияют
факторы р,:
P=f(p„P2......Pj- (4-3)
Размерность факторов дана в основных единицах: масса [М], длина
[L] и время [Т]. Каждая из основных единиц возведена в определенные по-
казатели степеней, например, ускорение силы тяжести м/с или м с*2. Пока-
затели степеней обозначим так: ц, для массы, Xj для размера и Т; для време-
ни. В общем виде размерность фактора записываем следующим образом:
[pj =[M]^[L]^[T]\ (4.4)
Выберем три основных фактора
[р,] =[Мр'[L]*'[т ]f>;
[р2] = [МГ’[Ь]Л’[Т]”; (4.5)
[р}] =[МГ[1]Х>[ТГ>,
в размерности которых обязательно входят масса (например, в первом фак-
торе |^| >0), длина (во втором |А21>0) и время (в третьем |г?|>0), т. е. сис-
тема должна быть определенной: количество неизвестных равно количеству
уравнений, а определитель, составленный из показателе!, степеней, не ра-
вен нулю:
А/
Аз
*0.
(4-6)
Разделим уравнение (4.3) на произведение выбранных трех факто-
ров (4.5) в неизвестных степенях а, р, у, необходимых для достижения без-
размерности критериев. Получим
(4.7)
Первые три члена превращаются в единицы, а остальные - в крите-
рии подобия, количество которых равно n-З, где п - число параметров про-
цесса,
127
О 0 У '
Р.РзРз
p“'rfrf '
_______л___
п~3 а. В. y.
А Р2Рз
Значения показателей степеней a, Р и у определяем из условия, что
входящие в уравнение (4.7) комплексы (критерии подобия) - безразмерные
величины, т. е. произведение их размерностей равно единице:
______________ [AWrtnf
tXT [£]Л| [7]п f [£р [Г]'2 Г [ Л'3[7Т3)'
(4-8)
= [Л<|
[71
t-x\a-viB-ryr
В этом случае показатели степеней при размерностях равны нулю:
Ц-Hfi- ц2р- ц2у = 0;
Х-Х,а-Х2р-Х}г = 0; <4-9)
т - zta - т2р - т3у = 0.
Решая такую систему трех уравнений для каждого комплекса, оп-
ределяем числовые значения а, Р и у. Затем подставляем показатели степе-
ней в комплексы (4.8) и таким образом получаем критерии подобия иссле-
дуемого процесса.
С найденными критериями можно производить математические
операции: перемножать их, делить один на другой или на какое-либо число.
Числовые значения, подсчитанные по найденным критериям для модели и
натуры, должны быть одинаковыми:
я t = idem, я2 = idem , ..., яп_3 = idem. (4.10)
Кроме этих условий, согласно третьей теореме необходимо со-
блюсти условия однозначности: геометрическое подобие, подобие физиче-
ских свойств материалов и т. д.
По имеющимся критериям подобия для натуры вычисляют пара-
метры моделируемого процесса.
Когда известны основные параметры и размеры, приступают к из-
готовлению физической модели, на которой производят серию установоч-
ных экспериментов с целью отработки методики исследования.
Если выдержать равенство всех критериев подобия невозможно, то
ищут функциональную связь между ними на модели и определяют автомо-
дельную область, в которой критерии практически не зависят друг от друга.
В этом случае достаточно выдержать один критерий, другой будет со-
блюдаться автоматически.
128
4.4. Практические задачи моделирования
На практике моделирование дает возможность очень эффективно
решать большое число довольно сложных задач:
1. Выявить экспериментальным путем при минимальных затратах
материала, трудоемкости и стоимости действительную картину распре-
деления усилий во всех характерных сечениях и узловых сопряжениях эле-
ментов конструкций.
2. Произвести экспериментальным путем анализ напряженного
состояния сложного сооружения взамен аналитического расчета, когда ме-
тоды строительной механики и теории упругости неприемлемы.
3. Проверить правильность гипотез, положенных в основу ана-
литического расчета.
4. Уточнить расчетную схему сооружения.
5. Определить характер разрушения и разрушающую нагрузку.
6. Определить реальный запас прочности сооружения.
7. Установить влияние различных факторов на работу конструк-
ции - свойств материалов, условий сопряжении, податливости основания и
др.
При этом для новых сложных и малоизученных сооружений
исследование может вестись в несколько этапов:
1) расчет на ЭВМ с применением математического моделирования
или исследования маломасштабной модели (1/10... 1/20);
2) исследование крупномасштабной модели (1/2... 1/5);
3) натурные испытания сооружения или его отдельных узлов и
элементов с практическим использованием либо физического, либо анало-
гового, либо математического моделирования с применением поляризаци-
онно-оптических методов или голографических моделей.
5- 14
5. ОБСЛЕДОВАНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
Обследование и освидетельствование сооружений складывается из
следующих операций, выполняемых полностью или частично в зависимо-
сти от поставленных задач и состояния исследуемого объекта:
1) ознакомление с документацией;
2) осмотр объекта в натуре;
3) обмеры - установление генеральных размеров конструкций
(пролетов, высот и т. д.) и контроль сечений элементов;
4) выявление, установление характера и регистрация трещин, де-
фектов и повреждений;
5) проверка качества материала в сооружении и контроль состояния
стыков и соединений.
В отдельных случаях, например в предварительно напряженных
конструкциях, приходится определять также усилия и напряжения, факти-
чески имеющие место в исследуемых элементах.
В результате освидетельствования с учетом данных соответствую-
щих перерасчетов дается общая оценка состояния сооружения и, в случае
необходимости, решается вопрос о проведении статических и динамиче-
ских испытаний.
5.1. Ознакомление с документацией и визуальный
осмотр сооружения
К изучению документации целесообразнее приступать после пред-
варительного (рекогносцировочного) осмотра объекта.
При освидетельствовании сооружений, предназначенных к сдаче
в эксплуатацию, необходимо ознакомиться с проектной и строительно-
монтажной документациями, где следует обратить особое внимание на ак-
ты скрытых работ. При освидетельствовании объектов, находящихся в экс-
плуатации, дополнительно должны быть изучены акты сдачи в эксплуата-
цию, паспорта сооружений, журналы эксплуатации, документы о проведен-
ных ремонтах и другие имеющиеся материалы, характеризующие службу
сооружения.
Осмотр сооружения является наиболее ответственной частью ос-
видетельствования. Его начинают с установления соответствия между
предъявленной документацией и сооружением в натуре. Выявленные рас-
хождения фиксируются, оцениваются и устанавливаются их причины. В
объектах, сданных в эксплуатацию, проверяется устранение недоделок, от-
меченных в актах приемки.
Далее производится детальный осмотр (по возможности) элемен-
тов сооружения начиная с наиболее ответственных:
130
• осматриваются опорные части, заделки и соединения и проверя-
ется их состояние и условия работы; осматриваются связи, настилы и про-
чие элементы, обеспечивающие требуемую пространственную работу со-
оружения, и проверяется правильность их опирания и крепления;
• устанавливается наличие в конструктивных элементах ослабле-
ний и надрезов, сколов и других дефектов и повреждений;
• выявляется наличие коррозии, гнили и других повреждений ма-
териала, ухудшающих работу конструкций и снижающих несущую способ-
ность сооружения.
Отмечается (при осмотре - визуально) наличие осадок, деформиро-
вания и взаимных смещений элементов.
По результатам осмотра дается предварительная оценка состоя-
ния сооружения в целом и намечается план дальнейшего проведения осви-
детельствования (инструментальных съемок, проверки качества материала
в сооружении и т.д.)
5.2. Проверка основных геометрических размеров
При освидетельствовании должны быть проверены главнейшие
размеры конструктивной схемы: длина пролетов, высоты колонн и другие
геометрические параметры, от соблюдения заданных величин которых за-
висит напряженно-деформированное состояние элементов конструкций в
процессе их службы. В отдельных случаях (если это важно с точки зрения
эксплуатации или при наличии обнаруженных при осмотре отклонений)
проверяются также горизонтальность перекрытий, соблюдение заданных
уклонов, вертикальность несущих элементов и ограждений и т.д.
Для относительно небольших сооружений эти контрольные изме-
рения не являются сколько-нибудь сложными и выполняются с помощью
стальных рулеток, отвесов, нивелиров и т.п.
При освидетельствовании же крупных сооружений и объектов
сложной конфигурации применяют специальные инструменты для ускоре-
ния процесса съемки и обеспечения ее точности. Так, проверки по вертика-
ли производятся инструментами вертикального визирования, позво-
ляющими производить сноску точек по высоте на 100 м и более с погреш-
ностью, не превышающей ±2 мм.
Для нивелирования в тесных и труднодоступных местах целесооб-
разно применять гидравлические нивелиры, обеспечивающие высокую точ-
ность измерений.
При необходимости проверки больших пролетов (100 м и более),
как например, расстояния между центрами опорных площадок уже возве-
денных мостовых опор, применяются новейшие светодальномеры, уско-
ряющие процесс съемки и обеспечивающие точность порядка 1/25000 оп-
ределяемой длины.
131
5*
Для быстрой и надежной фиксации наружного очертания и разме-
ров освидетельствуемого объекта целесообразно применять стереофото-
грамметрическую съемку.
Проведение замеров с применением указанных специализирован-
ных инструментов, требующих тщательной предварительной выверки и
учета ряда поправок, осуществляется квалифицированными геодезически-
ми группами. В тех случаях, когда проверяемые элементы доступны для
измерений, замеры сечений и проверка очертаний достаточно просты и вы-
полняются обычно средним техническим персоналом. Для ускорения и об-
легчения измерений в последнее время предложен ряд приспособлений,
например шаблоны с автоматической фиксацией отклонений от задан-
ных размеров, чем в значительной степени уменьшается возможность оши-
бок при проведении контроля.
Более сложной является задача определения толщин в конструкци-
ях, доступных для измерений лишь с одной стороны. Наиболее грубым (и,
сравнительно ещё недавно, единственным) способом измерения толщин
было просверливание или, что хуже, пробивка отверстий в соответствую-
щих местах проверяемых конструкций. Способ этот трудоемок и в боль-
шинстве случаев крайне неудобен, даже при условии последующей заделки
отверстий, так как связан с нарушением сплошности материала и возмож-
ностью повреждений. При освидетельствованиях же конструкций, требую-
щих сохранения герметичности (как, например, в уже эксплуатируемых
резервуарах) даже самое аккуратное сверление каких-либо отверстий во-
обще недопустимо.
Все эти затруднения отпадают при использовании современных не-
разрушающих методов контроля. Применение этих методов требует на-
личия соответствующей аппаратуры и подготовленного для работы с ней
персонала.
5.3. Выявление и регистрация осадок, деформаций и повреждений
Сведения об осадках и взаимных смещениях отдельных частей со-
оружений должны быть получены перед их освидетельствованием геоде-
зической службой. Эти данные проверяются на месте выборочными кон-
трольными измерениями.
В случае отсутствия или недостаточности указанной документации
и выявленных при осмотре признаков осадок и смещений для их уточнения
должна быть организована геодезическая съемка.
Надежным признаком, позволяющим судить о наличии неравно-
мерных осадок, является развитие легко отличаемых по их внешнему виду
осадочных трещин в сооружениях. В качестве примера на рис.5.1 показа-
ны трещины, появляющиеся в перемычках многоэтажного кирпичного зда-
132
ния при осадках середины фасада (рис.5.1,6) и при оседании краев зда-
ния (рис.5.1, г).
При установлении наличия осадок и смещений необходимо выя-
вить причины их возникновения и решить вопрос о требуемых профилак-
тических мерах, например усилении фундаментов и т. д.
Рис.5.1. Формализованные схемы возможных осадок кирпичных
зданий и линейно-протяженных сооружений:
а - при преимущественных осадках краев здания; в - при осадках средней
части здания; б и г - упрощенные схемы перемещений;
1 - середина здания, 2 - края здания
1
Наблюдения за осадками ответственных сооружений должны вес-
тись с начала их строительства.
Реперы для нивелировки должны быть расположены в местах,
обеспечивающих неизменность отметки репера в течение всего срока на-
блюдений (т.е. до прекращения нарастания осадок). На самом объекте уста-
навливаются марки, т. е. геодезические знаки, меняющие свое положение
по высоте вместе с сооружением. В промышленном и гражданском строи-
тельстве применяются марки стенные и плитные. Примеры их конструк-
тивного выполнения приведены на рис.5.2.
Эффективной проверкой данных нивелировки является проведение
повторных стереофотограмметрических съемок сооружения.
Обнаруженные при осмотре сооружения трещины, сколы, раскры-
тия швов и другие аналогичные дефекты, не подлежащие немедленному
133
устранению, должны быть тщательно измерены и отмечены как на самом
объекте, так и на соответствующих схемах. Все эти данные передаются за-
тем эксплуатационникам для дальнейших наблюдений за состоянием со-
оружения.
В строительной практике наиболее распространенным (но несо-
вершенным) способом наблюдения за трещинами является перекрытие их
маяками. При продолжающемся расширении трещины маяк рвется и по
ширине образовавшейся в нем щели можно судить об интенсивности рас-
крытия трещины под маяком. Однако уменьшение трещины может быть
выявлено с трудом. Надлежащую сохранность самих маяков трудно гаран-
тировать, и способ этот в настоящее время не может быть рекомендован.
Рис.5.2. Нивелирные марки стенные (а и б) и в фундаментных плитах (в и г):
п-в каменных стенах; б - на стальных колоннах;
в - с ввинчивающейся крышкой; г - с откидной крышкой;
1 - стальные уголки 30x5; 2 - каменная стена; 3 - цементный раствор; 4 - стальная
колонна; 5 - сварной шов; 6 - бетонная плита; 7 - стальная заклепка; 8 - патру-
бок; 9 - ввинчиваемая крышка; 10 - съемная крышка
134
—--------------------
Для фиксации как раскрытия, так и уменьшения ширины трещин и
швов, а также сдвигов вдоль них, используют ряд приемов. Простейшим
является наблюдение за изменением взаимного положения пары меток, на-
несенных на поверхность объекта по обе стороны наблюдаемой трещины
или шва.
Для длительных измерений пользуются различными перекрываю-
щими трещину или шов приборами - щелемерами (в том числе и электри-
ческого принципа действия) как поверхностными накладками, так и глу-
бинными. По своему устройству такие приборы аналогичны тензометрам.
Для определения глубины трещин, выходящих на поверхность,
строители применяют гибкие металлические щупы различной толщины, по
глубине трещин постепенно, как правило, сужающиеся. Точные замеры
производятся путем применения новейших физических методов исследова-
ния, как, например, с использованием ультразвуковых излучений.
В массивных бетонных блоках при исследовании глубоких трещин
пользуются методом подсечки (рис.5.3). Как видно из этого рисунка, под
углом 45-60° к плоскости распространения трещины пробуривают ряд
скважин. Отверстия их перекрывают тампонами и в скважины нагнетают
воздух или воду под давлением в несколько атмосфер, переходя последова-
тельно от одной скважины к другой. О глубине проникновения трещины
судят при этом по выходу из нее воздуха или появлению на поверхности у
ее краев мокрых пятен.
В заключение следует отметить, что поведение трещин, швов, со-
единений и т. п. является важным показателем состояния сооружения.
Рис.5.3. Определение глубины
распространения трещины ме-
тодом подсечек:
1 - бетонный массив;
2 - трещина;
3 - буровые скважины
Внимательное наблюдение за швами и соединениями, а также и
трещинами, если они имеются, при правильной оценке полученных данных
позволяет своевременно поставить «диагноз» скрытых нежелательных яв-
лений, происходящих вблизи сооружений, и принять необходимые профи-
лактические меры, не дожидаясь серьезных нарушений их работоспособ-
ности.
135
5.4. Оценка качества и состояния строительных
материалов и соединений
5.4.1. Общие сведения
Проверке подлежат главнейшие параметры, характеризуемые ро-
дом материала и соединений и условиями их работы. Выполняемые при
этом операции разделяются на следующие группы:
1) определение физико-механических характеристик - прочно-
сти, деформативности (в частности, значения модуля упругости), однород-
ности, объемной плотности, влажности;
2) дефектоскопия материалов и соединений - нарушения сплош-
ности (трещины, сколы, расслоения, пустоты и т. п.), посторонние включе-
ния, поражения коррозией, гнилью и т. п.;
3) толщинометрия — в основном для конструкций, доступных
при измерениях лишь с одной стороны (когда без устройства отверстий не
могут быть выполнены обычные геометрические замеры);
4) в отдельных случаях приходится, кроме того, проверять химиче-
ский состав и структуру примененных материалов.
В результате произведенных измерений устанавливается “марка”
материала, т. е. оцениваются фактические физико-механические характери-
стики материала в данном сооружении, и проверяется состояние материала
и соединений, а также соответствие их требованиям эксплуатации.
При приемочных освидетельствованиях основной задачей является
сопоставление проектных значений и действительных характеристик при-
мененных материалов. При повторных освидетельствованиях, если они
имеют место, выявляются изменения этих характеристик в условиях экс-
плуатации.
По способу проведения необходимых исследований и измерений
применяемые методы могут быть отнесены к следующим основным груп-
пам:
1 - способы, связанные с отбором образцов; характерным для этой
группы способов является нарушение сплошности материала, неизбежное
при выемке образца даже самого незначительного размера;
2 - неразрушающие методы, когда все измерения проводятся непо-
средственно на объекте без повреждения его элементов;
3 - к промежуточной группе относятся методы, не требующие вы-
емки каких-либо образцов, но все же в большей или меньшей степени ос-
тавляющие на объекте следы производственных операций (например, вмя-
тины поверхности).
136
5.4.2. Отбор образцов для традиционных лабораторных испытаний
Взятие образцов материала производится для лабораторных испы-
таний. Отбор любого образца связан с ослаблением исследуемого элемента.
Однако для массивных бетонных блоков извлечение образцов практически
нечувствительно, т.к. образовавшиеся пустоты могут быть надежно запол-
нены бетоном. В металлических конструкциях вырезка даже небольших
кусков металла из ответственных элементов весьма нежелательна и требует
затем тщательной работы по восстановлению полной работоспособности
ослабленных сечений.
С учетом трудностей, связанных с отбором образцов и заделкой
повреждений, естественной является тенденция к всемерному ограничению
числа отбираемых проб, а также стремление предоставлять для их отбора
по возможности менее ответственные и даже второстепенные элементы и
участки сооружения. Однако этим нарушается основная цель взятия образ-
цов материала для исследования, поскольку наиболее существенным с точ-
ки зрения оценки работоспособности сооружения является состояние мате-
риала именно в ответственных элементах конструкций.
С другой стороны, образцы, взятые из второстепенных элементов,
могут оказаться не характерными для сооружения в целом, так как нередко
в процессе строительства для менее ответственных частей, в силу необхо-
димости, используют и “случайные”, имеющиеся под рукой, материалы,
которые не могли бы быть применены для основных элементов.
Для получения сколько-нибудь исчерпывающего представления о
работе всего сооружения в целом и для суждения об однотипности мате-
риала недостаточно единичных образцов, а требуется большее количество
проб, взятых из десятков, а для крупных сооружений - и из сотен точек.
Между тем извлечение такого количества образцов является трудоемкой
задачей, выполнение которой не всегда может быть обеспечено в требуе-
мые, обычно сжатые, сроки.
В то же время результаты испытаний образцов могут в отдельных
случаях дать и не вполне правильное представление о состоянии материала
непосредственно в сооружении. Расхождения могут быть вызваны повреж-
дением материала образца в процессе его извлечения, а также изменением
характеристик материала образца от момента его взятия до момента испы-
тания.
Несмотря на все эти недостатки, испытания образцов продолжают
все же достаточно широко применяться, поскольку этот способ прост;
проведение же самих испытаний в лабораторных условиях осуществляется
в соответствии с указаниями действующих нормативных документов.
Взятие образцов и отправка их для испытаний может производиться силами
обычного техперсонала, без привлечения высококвалифицированных
специалистов.
137
Отбор образцов в металлических конструкциях
Заготовки для образцов берутся обычно путем огневой резки. При
разметке образцов для их последующей механической вырезки следует от-
ступать не менее чем на 10 мм от грани заготовки для исключения обра-
зующейся при огневой резке зоны термического влияния с измененной
структурой материала.
Весьма перспективным является применение электроэрозионной
резки, обеспечивающей возможность извлечения образцов любого очертания
без последующей обработки кромок.
Для уменьшения ослабления сечения образцы обычно берутся ми-
нимальных размеров. Вырезки в элементах конструкции должны быть за-
полнены сваркой соответствующих вставок с усилением их, в случае необ-
ходимости, дополнительными накладками. Очень важно, чтобы остаточные
напряжения сварки у вновь осуществляемых швов не ухудшали условий
работы элементов и не создавали бы возможности появления в них хрупких
трещин.
Отбор образцов бетона
В отличие от металла для бетона, как материала неоднородного с
заполнителями разной крупности, затруднена возможность испытания на
малых образцах. По ГОСТ 10180 размеры (длины ребер) кубиков для ис-
пытания на сжатие даже при наименьшей крупности заполнителя должны
быть не менее 70,7 мм; балочки для испытания на изгиб должны иметь се-
чение от 100x100 мм при длине 400 мм и т.д.
Выборка образцов такого размера может быть выполнена без на-
рушения работы элемента лишь в массивных бетонных и железобетонных
конструкциях и блоках. В других случаях приходится прибегать к испыта-
ниям нестандартных образцов с размерами, обусловленными сечениями
исследуемых элементов.
Основным затруднением при извлечении бетонных образцов явля-
ется возможность их повреждения. Наилучшим способом является выбури-
вание бетонных цилиндров с помощью алмазных коронок. Разработаны
передвижные станки для резки бетона (например, в плитах) с помощью
кругов и дисков из синтетических алмазов. Можно пользоваться для той же
цели стальными дискам и ленточными пилами, усиленными, например, на-
варкой крошки сверхтвердых сплавов.
Значительно худшие результаты получаются при часто применяв-
шемся ранее перфораторном бурении ввиду неизбежных при этом способе
повреждений и нарушений сплошности наружного слоя бетона заготовок.
Пустоты, образовавшиеся в элементах сооружений после выемки
заготовок для образцов, должны быть сразу же заделаны. Желательно при-
менять для этой цели бетон на безусадочном цементе - во избежание появ-
ления трещин по поверхностям стыкования заполнения со старой кладкой.
138
Если образцы, взятые из сооружения, испытываются не тотчас же
после их извлечения, то приходится считаться с возможностью постепенно-
го изменения физико-механических характеристик бетона образцов при их
хранении. Известно, например, что в крупных блоках бетон внутри массива
может по своим характеристикам, в том числе и по прочности, может отли-
чаться от бетона наружных слоев того же массива.
После извлечения из блока глубинного образца последний при
хранении оказывается уже в других условиях, и его прочность может быст-
ро возрастать. Образец перестает, следовательно, характеризовать состоя-
ние аналогичного материала, оставшегося в глубине сооружения. Основ-
ным требованием является скорейшее испытание бетонных образцов взя-
тых из сооружения.
Указанный недостаток в значительной степени устраняется при
подготовке образцов бетона по способу, предложенному для дорожных,
аэродромных и иных покрытий: в плите в процессе ее бетонирования уста-
навливаются металлические бездонные формы, смазанные техническим
маслом для предупреждения сцепления их с бетоном.
После твердения кладки формы извлекаются, а образовавшиеся за-
зоры заполняются песком. Аналогичны способы подготовки образцов бето-
на в конструкциях, предложенные И. В. Вольфом.
Отбор образцов древесины
В деревянных конструкциях вырезка образцов для лабораторной
проверки физико-механических характеристик, как правило, нецелесооб-
разна. Следует учесть также, что несущая способность деревянных соору-
жений зависит не только от общих характеристик материала, но и от нали-
чия или отсутствия дефектов и повреждений древесины и, в особенности,
от ее загнивания. Для обнаружения же и оценки этих факторов требуются
нс лабораторные испытания, а внимательный осмотр.
Если образцы для лабораторных испытаний все же будут взяты, то
необходимо предохранить их от изменения влажности. Для этого сразу по-
сле взятия вырезанные заготовки древесины должны быть залиты слоем
парафина или помещены в герметически закрытые сосуды или пакеты, ис-
ключающие возможность их высыхания. Места вырезки образцов должны
быть надежно заделаны вставками на клею и накладками и, при необходи-
мости, антисептированы.
5.5. Перерасчет обследованных конструкций
и заключение по результатам обследования
Перерасчет обследованных конструкций оказывается необходимым
в следующих случаях:
• при недостаточности или полном отсутствии расчетных данных,
с чем часто приходится встречаться при освидетельствованиях давно возве-
денных сооружений с несохранившейся документацией;
139
• при наличии несоответствий между расчетными предпосылками
и установленными при освидетельствовании фактическими данными в
отношении принятой расчетной схемы, нагрузок, размеров, свойств
материалов и т. д.;
• при наличии дефектов и повреждений, влияющих на несущую
способность и деформативность сооружения.
По данным перерасчетов устанавливается возможность нормаль-
ной эксплуатации сооружения или даются рекомендации о необходимых
ограничениях по величине нагрузки, скорости движения и т.д., а также
выявляются элементы и соединения, требующие усиления.
Если в результате освидетельствования принимается решение о
необходимости проведения испытаний, то перерасчет завершается
подсчетом требуемой испытательной нагрузки и определением
соответствующих усилий, напряжений, деформаций и перемещений в
исследуемых конструкциях. Эти подсчеты должны проводиться наиболее
точными методами для получения результатов, наиболее адекватно
отражающих действительную работу проверяемого сооружения.
На основании произведенного освидетельствования и
выполненных перерасчетов составляются общая оценка состояния обсле-
дованного объекта и заключение о возможности его эксплуатации.
Назначаются меры, необходимые для поддержания объекта в должном
состоянии, и требования, которые должны соблюдаться при его
эксплуатации.
Выявленные дефекты перечисляются в ведомости дефектов. К этой
ведомости прикладываются необходимые чертежи, зарисовки и
фотографии, по возможности указываются причины повреждений и степень
их развития.
Особо отмечаются дефекты, требующие немедленного устранения,
и указываются рекомендуемые сроки проведения ремонтно-
востановительных работ.
В случае необходимости даются указания, в дополнение к
действующим правилам эксплуатации, по организации и проведению
надзора за состоянием исследованного сооружения.
Если данные освидетельствования и перерасчета недостаточны для
суждения о работоспособности рассматриваемого объекта и проведение его
испытаний будет признано целесообразным, то об этом составляется
мотивированное заключение.
Намечаются характер и объем необходимых испытаний и указываются
подлежащие определению показатели работы сооружения.
6. СТАТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ
ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
В зависимости от объекта и цели испытаний устанавливаются:
1) несущая способность, характеризуемая нагрузкой, при которой
наступает потеря прочности или устойчивости объекта испытания;
2) жесткость, характеризуемая значениями перемещений,
предельными с точки зрения возможности нормальной эксплуатации
объекта;
3) трещиностойкость (в первую очередь для бетонных и
железобетонных конструкций); трещины должны или вообще не появляться
или раскрытие их не должно исчерпать или затруднять эксплуатацию
вследствие потери непроницаемости, развития коррозии и т.д.; при
определении трещиностойкости устанавливают также значения нагрузки,
при которой образуются трещины, допустимые по условиям эксплуатации.
6.1. Задачи испытаний
В настоящее время существуют четыре разновидности испытаний:
приемочные испытания, испытания эксплуатируемых объектов, испытания
конструкций и деталей при их серийном производстве, научно-
исследовательские испытания.
1. При приемочных испытаниях (при передаче законченных
сооружений в эксплуатацию и промежуточных приемках в процессе
строительства) проверяются состояние объекта и соответствие показателей
его работоспособности проектным и нормативным требованиям.
2. Испытания уже эксплуатируемых сооружений проводятся:
• для проверки возможности продолжения нормальной службы
объекта под эксплуатационной нагрузкой;
• для проверки эксплуатационной надежности объекта при
появлении значительных повреждений, например, после пожара и в других
аналогичных случаях, ставящих под сомнение работоспособность
сооружения;
• для выяснения возможности повышения эксплуатационной
нагрузки при реконструкции объекта или изменении характера его
использования.
3. Испытания конструкций и деталей при их серийном
изготовлении выполняются путем выборочных испытаний отдельных
образцов (продукции) с доведением до разрушения. Задачей испытаний в
данном случае является установление фактической несущей способности и
других характеристик испытываемых образцов либо продукции с
распространением полученных результатов на всю изготовленную партию.
4. Научно-исследовательские испытания и испытания опытных
объектов проводятся:
• при применении новых конструктивных решений и при
апробации новых методов расчета;
141
• при использовании новых строительных материалов с характе-
ристиками, требующими проверки под действием нагрузки;
• при особых режимах эксплуатации, например в полярных или
субтропических условиях, под действием волн и морской воды и т.д. Такие
испытания могут производиться непосредственно в натуре или лаборатор-
ным путем с искусственным обеспечением необходимого режима.
6.2. Выбор элементов для испытания
При приложении нагрузки к сооружению в работу вовлекаются все
его конструктивные элементы или лишь отдельные их совокупности, бли-
жайшие к месту загружения. Так, нагрузка, приложенная к проезжей части
моста в любом месте по длине его пролета, обусловливает появление внут-
ренних сил во всех элементах поясов и решетки несущих ферм; не включа-
ются в работу лишь отдельные так называемые “нулевые” стержни. При
испытаниях подобного рода сооружений нескольких положений нагрузки
бывает достаточно для обеспечения интенсивной работы всех главнейших
элементов. Задача выбора элементов при назначении программы испытаний
сводится в данном случае к решению вопроса, где именно целесообразнее
размещать измерительные приборы для оценки работоспособности и со-
стояния сооружения в целом.
С иным положением приходится иметь дело в большинстве объек-
тов промышленного и гражданского строительства, составленных обычно
из многочисленных однотипных элементов в определенном их сочетании.
Так, например, в многоэтажном промышленном здании каркасного типа
нагрузка, приложенная на небольшом участке какого-либо из перекрытий,
передается на фундаменты через ближайшие ригели и колонны; колонны и
ригели, удаленные на несколько пролетов от места загружения, почти не
вовлекаются в работу. Слабо или совсем не деформируются примыкающие
ненагруженные плиты того же перекрытия, и практически совершенно не
работают перекрытия других этажей.
При исследованиях подобного рода сооружений выбор элементов
для испытания связан непосредственно с выбором места приложения на-
грузки. При этом руководствуются следующими соображениями:
1) количество загружаемых элементов должно быть минимальным,
во избежание чрезмерных затрат времени и средств, необходимых для про-
ведения статических испытаний;
2) испытаниями должны быть охвачены все основные виды несу-
щих элементов исследуемой конструкции; в первую очередь испытывают
элементы, работающие наиболее интенсивно, и элементы с обнаруженными
в них дефектами и повреждениями, надлежащая работоспособность кото-
рых сомнительна;
3) отбирают элементы с возможно более четкой схемой статиче-
ского опирания и закрепления; при прочих равных условиях желательно
выбирать элементы, свободные от дополнительных связей с примыкающи-
142
ми частями сооружения, которые могут вносить трудноучитываемые иска-
жения в работу исследуемых элементов.
При отборе образцов серийного изготовления для их контрольных
испытаний исходят из следующего. Для суждения о качестве изделий рас-
сматриваемой партии должны быть испытаны наилучшие и наихудшие об-
разцы. Отбор их для статических испытаний производится на основании
осмотра, контроля неразрушающими методами и предварительной вибра-
ционной проверки. Усредненная оценка дается по результатам испытания
образцов в состоянии, наиболее характерном для большинства изделий
данной партии.
6.3. Выбор схемы загружения
Нагрузочная схема уточняется одновременно с выбором элементов
для испытания, поскольку эти задачи взаимосвязаны.
Выбранная схема распределения нагрузок должна обеспечить по-
явление в исследуемых элементах необходимых напряжений и деформаций,
достаточных для выявления определяемых характеристик, но при этом сле-
дует учитывать имеющиеся реальные возможности (наличие определенных
видов загрузочных приспособлений) и стоимость испытания. Последнее
очень существенно, поскольку уменьшение требуемой нагрузки упрощает и
удешевляет процесс проведения испытаний и позволяет укладываться в
более короткие сроки при нагружении и разгрузке.
В качестве отдельных примеров ниже приведены схемы испытания
разрезной плиты (рис.6.1), неразрезной балки (рис.6.2) и полигональной
фермы (рис.6.3) с соответственно равномерно распределенной и сосредо-
точенной нагрузками.
Рис.6.1. Схема испытания монолитной разрезной плиты:
а - фактическая нагрузка, в натурных условиях; б - эквивалентная распределенная
нагрузка (I вариант испытания); в - эквивалентная сосредоточенная нагрузка (II ва-
риант испытания)
143
a
б
Рис. 6.2. Схема испытания многопролетной неразрезной балки:
а - схема балки; б - линия влияния изгибающего момента при нагружении
балки в полевых условиях; в, г - эквивалентное загружение пяти и трех пролетов
распределенной нагрузкой; д, е - эквивалентное загружение сосредоточенной на-
грузкой трех и одного пролета
Рис.6.3. Схема испытания полигональной фермы:
а, б, в - фактическое загружение в натурных условиях; г, д, е - эквивалентное за-
гружение фермы сосредоточенной нагрузкой по нижнему поясу
144
Все представленные эквивалентные схемы испытания экономичны
по трудозатратам и стоимости, а также удобны как для контроля за испыта-
тельной нагрузкой, так и для автоматизации испытаний.
6.4. Нагрузка и ее разновидности при статических испытаниях
При статических испытаниях нагрузка должна прикладываться к
объекту постепенно, без рывков и ударов, с тем чтобы влиянием сил инер-
ции можно было бы пренебречь. Нагрузки и нагрузочные устройства долж-
ны 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 обеспече-
на стабильность нагрузок, т. е. ее постоянство во времени.
На практике все нагрузки при статических испытаниях можно ус-
ловно разделить на распределенные и сосредоточенные.
Распределенную нагрузку любой интенсивности можно реализо-
вать на практике на основе применения:
а) сыпучих материалов (песок, щебень, гравий, керамзит);
б) мелкоштучных грузов;
в) крупноштучных грузов;
г) системы загружения водой;
д) системы загружения воздухом.
Сосредоточенную нагрузку можно обеспечить в полевых и в ла-
бораторных условиях на основе использования:
а) подвешивания грузов;
б) системы распределительных устройств;
в) системы натяжных устройств (талей, лебедок, полиспастов и тал-
репов);
г) гидравлических и винтовых домкратов.
При этом, в зависимости от задач испытаний (заводские испыта-
ния, приемочные, эксплуатационные, аварийные) и вида конструкции, ис-
пытательная нагрузка по величине может быть:
• частью нормативной нагрузки (при уточнении расчетной модели
несущего элемента);
• полной временной нагрузкой в одном из сочетаний (испытания
конструкций I и II категорий трещиностойкости для проверки условий их
наступления);
• суммой нормативной временной нагрузки и веса недостающих
частей здания (испытания в период возведения здания);
• расчетной временной нагрузкой (приемочные испытания уни-
кальных конструкций особого назначения);
145
• больше расчетной (приемочные испытания с нагрузкой, большей
проектной);
• разрушающей (заводские испытания серийно выпускаемой кон-
струкции).
Схема загружения конструкции должна обеспечить возникновение
в исследуемых элементах необходимых напряжений и деформаций. Однако
при этом следует учитывать реальные возможности и планируемую стои-
мость испытаний. Стоимость, трудоемкость и продолжительность испыта-
ний могут быть существенно уменьшены при расположении нагрузки соб-
ственно на сооружении.
6.5. Режим испытания
При выборе режима испытания устанавливают:
I) требуемую интенсивность нагружения;
2) ступени приложения и снятия нагрузки;
3) продолжительное!ъ ее выдерживания на испытываемом объекте.
6.5.1. Назначение величины испытательной нагрузки
Если сооружения или конструкции после испытания должны
быть переданы в эксплуатацию, то испытание не должно ухудшать их
состояния. Это значит, что в процессе приложения и выдерживания нагруз-
ки в испытываемом объекте нс должны развиваться остаточные деформа-
ции и, тем более, нарушения сплошности, которые в обычных условиях
эксплуатации не могли бы появиться.
Максимальная испытательная нагрузка, поэтому не должна вы-
ходить за установленный предел. Обычно за этот предел принимается рас-
четная нагрузка в наиневыгоднейшем ее положении, за исключением тех
случаев, когда приложение испытательной нагрузки, превышающей рас-
четную, предусмотрено соответствующими техническими условиями.
В качестве примера можно привести правила приемки стальных
вертикальных цилиндрических резервуаров для нефти и нефтепродуктов.
Емкости, проверяемые на прочность, должны быть заполнены водой до
расчетной отметки, а избыточное давление воздуха и вакуум в так называе-
мом “газовом пространстве” резервуара (над залитой жидкостью) должны
превышать проектные: избыточное давление на 25%, а вакуум, в зависимо-
сти от типа резервуаров, на 25...50%.
При испытаниях опытных объектов, передача которых в эксплуа-
тацию не предусматривается, указанные выше ограничения отпадают, и
максимум нагрузки назначается в зависимости от поставленной задачи.
Если целью испытания является определение несущей способности
или исследование условий появления местных повреждений (трещин, ско-
лов и т.п.), то значения максимальной нагрузки уточняют непосредственно
146
в процессе эксперимента в соответствии с его полученными промежуточ-
ными результатами. Однако до начала испытания этот максимум должен
быть оценен ориентировочно для подсчета требуемой нагрузки. Последняя
должна браться “с запасом” - во избежание задержек в ходе испытания в
случае ее недостаточности.
Испытание железобетонных изделий серийного изготовления и
отбор контрольных образцов проводятся следующим образом:
• при проверке на прочность контрольная нагрузка принимается
равной расчетной, умноженной на коэффициент С, численные значения
которого берутся от 1,4 до 2,0 в зависимости от типа конструкции, вида
примененного бетона и характера ожидаемого разрушения;
• при проверке на жесткость контрольная нагрузка принимается
равной нормативной в наиневыгоднейшем ее положении;
• при проверке на трещиностойкость - для изделий первой кате-
гории трещиностойкости нагрузка берётся равной 1,05 от расчетной, а для
второй категории - 1,05 от нормативной.
6.5.2. Последовательность приложения и снятия нагрузки
Ступени нагружения. При их назначении исходят из того, что, с
одной стороны, чем меньше каждая ступень, тем чаще в процессе нагруже-
ния могут быть взяты отсчеты по приборам. Графики исследуемых харак-
теристик строятся поэтому более четко (по большему числу точек), это осо-
бенно существенно при наличии нелинейной зависимости между нагрузкой
и исследуемой характеристикой; с другой стороны, с уменьшением ступе-
ней нагрузки возрастает их общее число, что делает процесс испытания
более длительным и трудоемким.
Учитывая эти положения, в каждом конкретном случае приходится
находить оптимальное решение.
Так, например, для контрольных испытаний образцов железобе-
тонных изделий серийного изготовления имеются следующие указания:
• при проверке прочности ступени (“доли”) нагрузки не должны
превосходить 10% от ее контрольного (т. е. максимального) значения;
• при проверке жесткости сооружения ступени должны быть не
более 20% от соответствующей контрольной;
• при проверке трещиностойкости после приложения нагрузки,
равной 90% от соответствующей контрольной, каждая последующая доля
загружения, вплоть до момента появления трещин, должна составлять не
более 5% контрольной.
Для облегчения обработки результатов испытаний последователь-
ные ступени нагрузки должны быть по возможности одинаковыми.
Начальную ступень нагружения следует брать небольшой (порядка
5%, но не более 10% от ожидаемой максимальной нагрузки), поскольку в
начале формирования приложения усилий часть их идет на обмятие под-
кладок в опорах и под нагрузочными приспособлениями, вытяжку тяг и т.д.
147
Для уменьшения этих потерь прибегают к повторным приложениям и сня-
тиям начальной ступени нагружения. Такие повторные нагрузки полезны
также и для проверки возвращения “на нуль’* показаний установленных
приборов.
При использовании подвижной нагрузки для той же цели делают
пробные обкатки.
Разгрузка. Ступени разгрузки полезно брать такими же, как и сту-
пени нагружения. Этим существенно облегчается сравнение “прямых*’ и
“обратных” ходов показаний приборов.
Однако для ускорения процесса испытания нередко приходится
прибегать к сокращению числа ступеней разгрузки. Их следует тогда брать
кратными ступеням нагружения, с тем чтобы совпадение соответствующих
точек прямот о и обратного ходов все же сохранялось.
При повторных (циклических) загружениях нагрузка после каждо-
го цикла должна сниматься не полностью, а доводиться до уровня первой
(начальной) ступени. Этим обеспечивается необходимая жесткость испыта-
ния, поскольку все нагрузочные устройства остаются включенными. При
полной же разгрузке не исключена возможность небольших перекосов и
смещений нагрузочных устройств, что затрудняет сопоставление получае-
мых результатов.
6.5.3. Режим выдерживания нагрузки
Для выяснения закономерности приращения перемещений и де-
формаций после приложения нагрузки обычно бывает достаточна выдерж-
ка:
• для металлических конструкций - от 15 доЗОлшл;
• железобетонных конструкций - около 24ч;
• деревянных конструкций - от 12ч до нескольких суток.
Если перемещения и деформаций при постоянной нагрузке в ука-
занные выше сроки не затухают, то время ее выдерживания удлиняется.
Если замедления нарастания перемещений и деформаций не наблюдается,
то испытываемый объект является негодным для эксплуатации в заданных
условиях.
Для выборочных испытаний образцов железобетонных изделий се-
рийного изготовления ГОСТ 8829-60 предусматривает обязательную вы-
держку:
- при контрольных загружениях на жесткость и трсщиностойкость
- не менее 30 мин:
- после каждой промежуточной ступени загружения - не менее 10
мин.
Указания о длительности выдержки испытательной нагрузки име-
ются и в других нормативных документах.
Так, например, при приемке стальных вертикальных цилиндриче-
ских резервуаров выдерживание их под гидростатическим давлением осу-
148
ществляется для емкостей до 5000м3 включительно - не менее 24ч, а свыше
ЮОООм3 - не менее 72ч.
6.6. Проведение статических испытаний
6.6.1. Подготовительные работы
Большие трудоемкость и стоимость статических загружений, наря-
ду с трудностью (а в отдельных случаях и невозможностью) повторения
испытаний, требуют тщательной предварительной отработки их програм-
мы. Правильность ее выбора в значительной степени предопределяет как
эффективность всей предстоящей работы, так и надежность всех данных,
получаемых в результате испытания.
Перед началом испытаний должна быть проведена необходимая
подготовка: смонтированы нагрузочные приспособления и подготовлена
нагрузка; установлены подмости и ограждения; обеспечено, если это вызы-
вается условиями испытаний, дополнительное освещение мест установки
приборов; согласованы перерывы в эксплуатации исследуемого объекта и
т. д.
Предварительные подсчеты. Уточняется требуемая испытатель-
ная нагрузка и определяются соответствующие этой нагрузке значения пе-
ремещений, деформаций, напряжений и усилий, возникающих в исследуе-
мых элементах конструкций.
Такие подсчеты являются продолжением перерасчетов, выполняе-
мых по результатам освидетельствования, и производятся с учетом всех
выявленных при этом отступлений от проекта, уточненных характеристик
материала, обнаруженных ослаблений и т. д. В сооружениях с неявно вы-
раженной расчетной схемой, допускающей выбор нескольких возможных
вариантов, предварительные подсчеты должны быть выполнены по всем
этим схемам. Сравнение с результатами испытаний позволяет в дальней-
шем выбрать из них схему, наиболее близкую к действительной работе со-
оружения.
Аналогично поступают в отношении модуля упругости и других
характеристик материала, если до начала испытания значения их не могут
быть надежно определены. Эти подсчеты ведутся в пределах возможных
диапазонов с дальнейшим уточнением фактических значений по результа-
там испытаний.
6.6.2. Размещение приборов
Перед испытанием составляется схема расположения измеритель-
ных приборов с указанием их типа и характеристик. При этом учитываются
следующие положения:
1) измерения наиболее ответственных параметров, определяющих
работоспособность сооружения, следует для исключения возможности
149
ошибок дублировать, применяя приборы различного принципа действия.
Так, например, прогиб ферм, измеренный с помощью прогибомеров, целе-
сообразно измерять также путем нивелирования;
2) к группам однотипных приборов добавляется контрольный при-
бор, находящийся в тех же условиях, но расположенный на элементе, не
участвующем в работе сооружения. Изменение показателей контрольного
прибора позволяет учесть влияние внешних факторов на результаты изме-
рений и внести в них соответствующие поправки;
3) в то же время не следует без особой в этом необходимости уве-
личивать общее число устанавливаемых приборов, т.к. лишние приборы
удлиняют время снятия отсчетов и, не принося особой пользы, усложняют
проведение испытаний и обработку их результатов;
4) при прочих равных условиях приборы нужно устанавливать там,
где измеряемые показатели достигают наибольших значений.
Нецелесообразно ставить приборы в зоне “нулевых” отсчетов (например,
тензометры вдоль нейтральной оси изгибаемого элемента), поскольку даже
небольшие погрешности измерений в данном случае будут сильно искажать
получаемые результаты.
Схемы размещения приборов при измерении прогибов, углов пово-
рота и деформаций с целью оценки одноосного, плоского и
сложнонапряженного состояния исследуемой расчетной среды показаны
соответственно на рис.6.4, 6.5, 6.6.
Рис.6.4. Установка приборов для измерения углов наклона:
1,2- клинометры; 3 - начальное положение оси балки; 4 - упругая линия изогну-
той оси балки
Рис.6.5. Расстановка тензометров по периметру поперечного сечения стержней:
1 - 4 - тензометры, установленные перпендикулярно плоскости сечения
150
Рис.6.6. Схемы размещения тензорезисторов в двухмерном поле деформаций:
а - под углом 90°; б - прямоугольная розетка; в - веерная прямоугольная розетка;
г - равноугольная дельта-розетка; д - Т-дельта-розслка
Измерение фибровых деформаций при оценке сложнонапряженно-
го состояния является наиболее сложной задачей, как в методическом, так и
в экспериментальном плане, поскольку измерительные приборы должны
быть расположены в толще материала и присутствие их не должно вызы-
вать искажений поля напряжений в исследуемой точке.
Направление деформаций в материале в общем случае неизвестно.
Для определения величин главных деформаций (3 параметра) и их ориента-
ции (также 3 параметра) требуется установка в зоне каждой исследуемой
точки не менее шести приборов. Целесообразно применять для этой цели (в
крупных бетонных массивах) рассмотренные выше струнные тензометры,
обеспечивающие в данных условиях получение наиболее надежных
результатов.
Во время бетонирования важно сохранить заданную ориентацию
устанавливаемых приборов, для чего тензометры крепят к легкому, но
прочному каркасу арматурной проволокой. Рядом с каждой группой тензо-
метров помещают контрольные приборы для исключения влияния измене-
ний температуры, усадки бетона и других факторов, вносящих искажения в
регистрируемые показания.
6.6.3. Основные работы, выполняемые в процессе испытания
В ходе натурных и лабораторных испытаний строительных объек-
тов или конструкций в обязательном порядке выполняется:
• предварительное загружение испытываемого объекта;
• квалифицированная запись показаний приборов;
151
• визуальное наблюдение за техническим состоянием испытывае-
мого объекта;
• строгое соблюдение правил техники безопасности при произ-
водстве статических испытаний обследуемого объекта.
1) Предварительное загружение испытываемого объекта
Предварительное загружение является начальным, контрольным,
этапом испытания. На этом этапе проверяют:
- готовность и надлежащее действие всех подготовленных при-
способлений, в первую очередь нагрузочных;
- надежность крепления и правильность показаний установленных
приборов;
- окончательно отрабатывают намеченный процесс проведения
испытания.
Интенсивность предварительного загружения принимают обычно
равной первой ступени нагрузки, предусмотренной программой испытания.
Выявленные во время загружения неудовлетворительно работаю-
щие приборы подлежат исправлению или замене. При этом может быть два
случая.
Случай 1. Исследуется объект, неоднократно подвергавшийся дей-
ствию внешней нагрузки. В этом случае нет оснований ожидать сколько-
нибудь заметного изменения его состояния в результате еще одного
загружения перед началом испытаний. Показания всех установленных
приборов должны были бы, следовательно, после предварительной
нагрузки вернуться к своим первоначальным значениям.
Невозвращение показаний может быть результатом:
- так называемой обкатки, т. е. небольшого вполне допустимого
смещения “нуля” прибора при первом цикле загружения. Прибор как бы
прирабатывается к объекту и при следующих циклах дает надежные пока-
зания;
- дефектной установки (которая должна быть исправлена) или не-
удовлетворительного состояния самого прибора, подлежащего замене.
Случай 2. Исследуемый объект нагружается впервые. При первом
нагружении сооружений и отдельных конструкций возможно появление
остаточных перемещений и деформаций, обусловленных обмятием соеди-
нений и мест опирания, осадками нагружаемых опор, взаимными смеще-
ниями элементов и т.п. Невозвращение приборов на нуль после снятия пер-
вой нагрузки не может при этом рассматриваться как показатель дефектно-
сти их установки.
Для выявления неудовлетворительно работающих приборов в дан-
ном случае требуется внимательное наблюдение за изменением показаний
как при приложении первой нагрузки, так и при постепенном ее снятии.
2) Запись показаний приборов
Запись показаний приборов должна производиться по возможности
одновременно по всем установленным приборам.
152
Наилучшим образом это требование обеспечивается при автомати-
ческой регистрации показаний.
При обычной записи число приборов, поручаемых каждому на-
блюдателю, должно быть по возможности небольшим. После записи пока-
заний по всем приборам рекомендуется делать повторный отсчет по перво-
му из них. Разность двух последовательных показаний дает важную для
оценки результатов характеристику интенсивности развития пластических
деформаций после каждой ступени нагружения.
Помимо записи показаний приборов должны тщательно отмечаться
время записи и условия проведения испытания (данные об изменениях тем-
пературы и других атмосферных факторов, случайные толчки и удары, вос-
принимаемые исследуемыми конструкциями, и т. п.), которые могут быть
использованы при оценке получаемых результатов.
3) Визуальное наблюдение за объектом
Визуальное наблюдение за техническим состоянием нагружаемого
объекта необходимо для регистрации всех изменений, происходимых в
конструкции в ходе испытания. При этом перед началом испытаний отме-
чают все трещины, сколы и другие повреждения, обнаруженные в элемен-
тах нагружаемых конструкций. После приложения каждой ступени нагруз-
ки производится повторный их осмотр для выявления как вновь появляю-
щихся повреждений, так и степени развития уже имеющихся.
Отметки на поверхности элементов осуществляют нанесением
краской тонкой черты рядом с каждой трещиной (но не поверх нее); анало-
гично с небольшим отступлением обводят контуры сколов и других повре-
ждений. Концы трещин отмечают поперечным штрихом, рядом с которым
пишут ступень нагрузки, соответствующую отмечаемой .длине трещины.
Совокупность таких отметок дает наглядную картину постепенного разви-
тия повреждений по мере роста испытательной нагрузки.
Трещины заканчиваются обычно тонкими (“волосными”) участка-
ми, границы которых иногда с трудом просматриваются. Полезно приме-
нять в этом случае лупу. Рекомендуется также смачивать поверхности у
конца трещины быстроиспаряющейся жидкостью (например, ацетоном):
жидкость, попавшая в трещину, испаряется несколько позже, оттеняя, та-
ким образом, предел ее распространения.
Повреждения отмечаются в специальных ведомостях, а также (что
очень целесообразно) наносятся от руки с примерным соблюдением мас-
штаба на форматках с вычерченной на них разверткой контролируемых
деталей. Аналогично должны отмечаться и расхождения в швах и соедине-
ниях, искривления и взаимные сдвиги элементов и т. п.
В процессе загружения и после окончания испытания необходима
фотосъемка, особенно поврежденных мест. Снимки являются важным до-
кументальным подтверждением результатов испытания. Наличие серии
таких фотографий значительно облегчает как обработку полученных дан-
ных, так и их оценку.
153
4) Правила техники безопасности
Для обеспечения безопасности при приложении и выдерживании
нагрузки должны быть приняты меры на случай разрушения или потери
устойчивости испытываемой конструкции.
Для этой цели под нагружаемым объектом устраивают леса, уста-
навливают стойки и т. п., не касающиеся испытываемой конструкции и не
мешающие ее деформации под нагрузкой. Эти предохранительные устрой-
ства должны быть достаточно прочны и устойчивы, чтобы полностью вос-
принять на себя вес нагружаемой конструкции в случае исчерпания ее не-
сущей способности.
Предохранительные леса и стойки используют обычно и для уст-
ройства ходов и площадок, для установки и взятия отсчетов по измеритель-
ным приборам, а также для наблюдений за состоянием проверяемых эле-
ментов во время испытаний. Все эти вспомогательные конструкции и под-
ходы к ним должны быть надежны и надлежащим образом ограждены.
Нагрузочные и распределяющие нагрузку устройства также долж-
ны отвечать требованиям техники безопасности в отношении их состояния,
быть надежно закрепленными и иметь все необходимые защитные ограж-
дения.
В случае необходимости следует предусмотреть меры для быстрого
удаления грузов с испытываемого объекта. В этом отношении наиболее
удобны саморазгружающиеся устройства, например домкраты, усилия в
которых резко падают при внезапном перемещении нагружаемой конструк-
ции в направлении создаваемых с помощью этих домкратов силовых воз-
действий.
6.7. Обработка результатов статических испытаний
6.7.1. Графическая обработка
Первым этапом графической обработки является тщательный кон-
троль достоверности полученных экспериментальных данных. Различного
рода отклонения в правильности хода приборов (переломы графиков, рез-
кие «выпады» отдельных точек и т. д.) оценивают при этом с точки зрения
возможности их появления по условиям работы конструкции и сравнивают
с одновременно отмеченными показаниями других приборов, а также запи-
сями в журналах испытаний.
В ряде случаев отклонения показаний приборов, совпадающие с
моментами образования трещин в нагружаемых конструкциях, сдвигами
элементов и т. д., могут быть объяснены влиянием этих факторов, а отсчеты
признаны в достаточной степени надежными. Отдельные поправки в гра-
154
фики показаний могут быть внесены на основании измерений контроль-
ными приборами. В качестве примера на рис 6.7 показан ход рабочего 1 и
контрольного 2 прогибомеров.
Рис.6.7. Зависимость отсчетов по приборам от нагрузки с учетом поправок:
1,2- графики показаний соответственно рабочего и контрольного приборов;
3 - откорректированный график рабочего прибора
Оба прибора, установленные в непосредственной близости друг от
друга, находились в одинаковых условиях в отношении температуры, на-
грева солнечными лучами, воздействия прорывов ветра и т. д., но прогибо-
мер 2 не регистрировал перемещений.
Изменения его показаний вносят поэтому как поправки при вычер-
чивании графика 3, который и принимается в качестве исходного для даль-
нейшего анализа полученного графического материала.
Кроме отмеченного, на практике в обязательном порядке строят
графики «время-нагрузка-деформация», которые повышают эффективность
графического анализа полученного экспериментального материала.
6.7.2. Определение прогибов при загружении простой балки
При установке приборов над опорами и посредине пролета
(рис.6.8) прогиб f легко получить из соотношения:
(6.1)
№ у/, уз - осадки в опорных сечениях,
у2 - перемещение среднего сечения.
Переход от/к полному значению прогиба/' производится с учетом
очертания упругой линии изогнутой балки.
155
б
Рис. 6.8. Расстановка приборов при измерении прогибов:
а - при доступности опорных сечений балки;
б - при прогибомерах, сдвинутых от края вдоль пролета;
/ - пролет балки, / - расстояние между сдвинутыми прогибомерами, f - прогиб
среднего сечения с учетом осадки опор,/ - частичное смещение среднего сечения,
зафиксированное при сдвинутых крайних приборах; 1,2, 3 - прогибомеры
6.7.3. Определение опорных моментов и жесткости балки
по измеренным прогибам и углам поворотов
На рис.6.9, а показана балка постоянного сечения с расположенной
по ее пролету нагрузкой любого вида, обозначаемой далее индексом “Р”.
На балку действуют также опорные моменты Ма и Мву значения которых
чаще всего (например, в ригелях рам, в неразрезных балках и т. п.) неиз-
156
вестны и должны быть определены экспериментальным путем. Будем счи-
тать, что уточнению подлежит также фактическое значение изгибной жест-
кости балки EI.
Для определения трех неизвестных (Ма, Мв и Е) необходима
установка и взятие отсчетов по трем приборам, например измерение
прогиба/в каком-либо промежуточном сечении балки и определение углов
наклона анР изогнутой оси в опорных сечениях (рис.6.9, б).
Рис. 6.9. Определение опорных моментов:
1 - клинометр; 2 - балка; 3 - прогибомер
Считая, ввиду малости деформаций, что tga^a и tgP~ Р, мо-
жем написать (при среднем приборе посредине пролета):
, + МЛ
р 3EI 6EI ’
(63)
\6Е1
MJ2
+ ——,
16£7 ,
где ар ppfp - углы наклона и прогиб от заданной нагрузки в простой балке
пролетом / при отсутствии опорных моментов. Эти величины определяют
расчетным путем.
Подставив подсчитанные значения ар, рр1л/р1л полученные по пока-
заниям приборов а, Р и f в уравнения (6.3) и решая эту систему уравнений,
находим искомые Мв и EL Кроме рассмотренного, на практике сущест-
вует метод определения опорных моментов, основанный на выявлении се-
чения балки, где изгибные деформации, а следовательно, и изгибающие
157
моменты равны нулю. Последнее позволяет после построения эпюры мо-
ментов от действующей нагрузки (в предположении шарнирного опирания
балки), путем графического моделирования или несложных аналитических
вычислений определить фактические значения возникающих опорных мо-
ментов.
6.7.4. Определение главных фибровых деформаций
Обработка результатов измерения деформаций облегчается, если
установка тензометров или наклейка тензорезисторов производится по на-
правлению главных деформаций. В простейших случаях эти направления
заранее известны, а в более сложных могут быть определены, например,
путем нанесения хрупкого лакового покрытия на поверхности исследуемых
элементов.
Часто, однако, ориентация главных деформаций не может быть
заранее установлена и приходится считаться с гем, что установка
тензометров или наклейка тензорезисторов проводится по отношению к
главным осям под неизвестным углом. Этот угол а, как и значения главных
деформаций, должен быть в таком случае уточнен расчетным путем.
Так, для прямоугольной розетки (рис.6.10,а) расчетные формулы
имеют следующий вид:
-8
(6.4)
8 пил
mm
Рис. 6.10. К ориентации розеток тензорезисторов относительно главных осей:
а - прямоугольная розетка; б - равноугольная розетка; 1, 2, 3 - тензорезисторы;
(6-5)
158
х.у- главные оси; а - угол между осью х и направлением тензорезистора 1
а для равноугольной розетки (рис.6.10, б) расчетные формулы имеют вид:
где Е|, е2, £з - фибровые деформации соответственно по трем выделенным
направлениям.
На практике при большом количестве экспериментальных данных
обработка полученных данных ведется с помощью вычислительных машин.
6.7.5. Переход от фибровых деформаций к напряжениям
В упругой стадии работы материала при одноосном напряженном
состоянии (и проведении измерений в направлении действующего усилия)
переход от деформации е к определяемому напряжению о базируется на
соотношении а = Ее.
При двухосном напряженном состоянии материала исходят из
обобщенного закона Гука:
max
mm
2
(6.8)
где р. - коэффициент Пуассона.
В пластической стадии работы деформации и соответствующие им
напряжения также взаимосвязаны. При обработке экспериментальных дан-
ных используют рассматриваемую в теории пластичности зависимость ме-
жду е, («интенсивностью» деформаций) и а, («интенсивностью» напряже-
ний) в исследуемой точке материала а, и е, , которые связаны с главными
напряжениями (plt о2, <т?) и главными деформациями (ei, е2, ез) выражения-
ми:
(6-9)
При переходе от измеренных деформаций к напряжениям, учиты-
вая фактические размеры исследуемых элементов, можно определить зна-
чения внутренних усилий, возникших в конструкции под действием прило-
женной нагрузки.
159
6.8. Анализ результатов статических испытаний
Оценки результатов испытаний выполняются на основании всесто-
роннего их анализа и сопоставления с данными теоретических расчетов,
уточненных в соответствии с фактическими размерами, характеристиками
материала и состоянием проверяемого объекта.
Наиболее полная оценка может быть дана при рассмотрении ре-
зультатов испытаний до исчерпания несущей способности. При этом мо-
гут быть выявлены следующие основные вопросы:
• каким образом происходит потеря несущей способности: в ре-
зультате разрушения материала в одном или нескольких основных элемен-
тах конструкции; из-за потери устойчивости отдельных элементов или всей
конструкции в целом; из-за нарушения работы связей и соединений и т.д.;
• соответствует ли фактическая разрушающая нагрузка теоретиче-
ской и степень их расхождения;
• соответствуют ли измеряемые во время испытания перемещения
и деформации вычисленным теоретически.
На основании анализа характера потери несущей способности мо-
гут быть сформулированы рекомендации по усилению выявленных более
слабых элементов и узлов в аналогичных конструкциях. Сопоставление
фактической и теоретически ожидаемой разрушающей нагрузок дает воз-
можность при превышении разрушающей нагрузки над ее теоретическим
значением оценить не учтенные ранее или излишние запасы прочности с
вытекающими отсюда практическими выводами. Наступление же разруше-
ния при нагрузке, меньшей теоретической, может свидетельствовать о не-
доброкачественности примененных материалов при выполнении работ на
исследуемом объекте. В обоих случаях расхождение может быть также
следствием неправильно выбранной расчетной схемы или методики расчета
конструкции.
Окончательные выводы могут быть сделаны на основании анализа
и сравнения измеренных перемещений и деформаций с теоретическими, а
также рассмотрения условий появления и постепенного развития трещин и
других повреждений в объекте испытания во время его загружения.
При испытаниях до разрушения контрольных образцов изделий
серийного изготовления (например, стеновых панелей и других аналогич-
ных элементов и конструкций) выводы по результатам испытаний делают с
учетом соответствующих нормативных указаний.
Так, например, если разрушение отобранных для испытания пане-
лей происходит при нагрузке, меньшей 100%, но не меньшей 85% кон-
трольной, то требуется повторное загружение такого же количества образ-
цов. Всю проверяемую партию считают выдержавшей испытание, если при
этом повторном опробовании ни один образец не разрушился при нагрузке,
меньшей 85%. В противном случае партию бракуют. В панелях, признан-
ных годными по их несущей способности, испытанные пробы не должны
превышать контрольные более чем на 10%.
160
Если в панелях не допускаются трещины по условиям их эксплуа-
тации, а при испытаниях они появляются при нагрузке, меньшей контроль-
ной, то партия приему не подлежит.
Наиболее сложной является оценка результатов испытаний соору-
жений, предназначенных к эксплуатации, поскольку суждение об их факти-
ческой несущей способности и прогнозы в отношении предстоящей их ра-
боты приходится в ряде случаев делать на основании приложения к ним
нагрузки, не превышающей расчетной. Основными показателями, исполь-
зуемыми при этой оценке, являются перемещения и деформации, измерен-
ные при испытании в результате наблюдений за появлением и развитием
трещин и повреждений в нагружаемых конструкциях. При анализе этих
данных исходят из следующих соображений:
1) экспериментально выявленное напряженно-деформированное
состояние проверяемых конструкций должно соответствовать теоретиче-
скому. В тех случаях, когда значения предельных перемещений нормирова-
ны по условиям эксплуатации, эти требования должны быть соблюдены;
2) при испытаниях объектов, многократно подвергавшихся сило-
вым воздействиям выявление сколько-нибудь значительных остаточных
перемещений и деформаций после приложения и снятия такой же испыта-
тельной нагрузки является признаком неудовлетворительной работы со-
оружения. Причины этого должны быть выявлены и на основании их сде-
ланы соответствующие практические выводы;
3) остаточные прогибы железобетонных впервые нагружаемых
конструкций не должны превосходить 1/3 прогиба, измеренного при норма-
тивной нагрузке;
4) существенные заключения могут быть сделаны (в том числе и
для объяснения появления чрезмерных остаточных прогибов) на основании
наблюдений за нарастанием перемещений при выдерживании нагрузки на
сооружении и затем постепенным уменьшением их после снятия нагрузки.
При нормальной работе сооружения эти изменения должны постепенно
затухать; отсутствие явного затухания свидетельствует о неудовлетвори-
тельном состоянии сооружения; в случае же ускорения процесса нараста-
ния перемещений во время выдерживания нагрузки сооружение по его со-
стоянию должно быть признано негодным для передачи в эксплуатацию;
5) в предварительно напряженных конструкциях после их загруже-
ния и обратного снятия нагрузки не должны уменьшаться усилия в предва-
рительно напряженных элементах.
При наличии многочисленных результатов испытаний однотипных
конструкций, проведенных в сопоставимых условиях, выводы по ним полу-
чают путем статистической обработки соответствующих эксперимен-
тальных данных.
6- 14
7. МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ
И ДАВЛЕНИЙ В ГРУНТАХ
7.1. Измерение напряжений в грунтах
Многообразие факторов, определяющих поведение грунтов под
воздействием нагрузки, зачастую затрудняет создание достоверной анали-
тической модели их напряженного состояния. Действительную картину
напряженного состояния может вскрыть лишь метрологически обеспечен-
ный эксперимент, позволяющий проводить длительные статические или
динамические испытания грунта и изучение явлений на контакте сооруже-
ния или конструкции с грунтом.
Для изучения поведения грунтов в основаниях необходимо опреде-
лять напряжения, деформации, поровое давление, физико-механические и
фильтрационные характеристики грунта в основаниях сооружений в зави-
симости от внешних воздействий на сооружение.
Напряженное состояние грунта определяется совокупностью
контактных взаимодействий между зернами скелета грунта, внутренних
напряжений в зернах скелета и давлением воды в порах грунта. Понятие
напряженного состояния в грунте относится к некоторой конечной, но ма-
лой зоне. Если в этой зоне известны любые шесть независимых компонен-
тов напряженного состояния (например, шесть значений нормальных на-
пряжений на шести различно ориентированных площадках), то напряжен-
ное состояние в зоне считается полностью определенным.
Нормальные напряжения в грунте измеряют путем помещения в
заданную зону искусственного тела - датчика нормальных напряжений,
деформации или изменение объема которого могут быть преобразованы в
регистрируемый (чаще всего электрический) сигнал. Датчик должен иметь
размеры, позволяющие усреднять все факторы, определяющие неоднород-
ность напряжений в рассматриваемой зоне.
Идеальный датчик должен обладать деформативными характери-
стиками, схожими с деформативными характеристиками грунта, чтобы
снизить влияние неоднородного включения. Однако деформативные харак-
теристики грунта зависят от ряда факторов, из которых влажность, плот-
ность, история нагружения и характер напряженного состояния являются
определяющими. Датчик напряжений в грунте, если его механические ха-
рактеристики отличаются от характеристик среды, является кон-
центратором напряжений в прилегающей к нему зоне, что является причи-
ной погрешностей при определении напряжений.
Если необходимо определить пространственную картину напря-
женного состояния грунта, то в нем располагают несколько датчиков, нор-
мали к которым ориентированы в разных направлениях. Возможно распо-
ложение датчиков по одной оси или их пространственная ориентация.
При изучении работы ответственных сооружений создается проект
размещения измерительной аппаратуры с учетом трасс прокладки линий
162
измерительной цепи, коммутаторов, мест расположения регистрирующей
аппаратуры. Проект определяет последовательность проведения всех работ
и является частью проекта сооружения. Для получения достоверных ре-
зультатов необходимо, чтобы способы укладки и уплотнения грунта в из-
мерительной зоне и в прилегающих к ней зонах не отличались. Датчики
должны устанавливаться одновременно с укладкой грунта в контролируе-
мую зону. В местах установки датчиков следует отобрать пробы грунта с
тем, чтобы определить его физико-механические характеристики. Посколь-
ку добиться полного соответствия деформативности датчика и грунта не
удается, выбор параметров измерительных преобразователей (датчиков)
должен обеспечить требуемую точность измерения напряжений в грунте.
7.1.1. Типы датчиков напряжений в грунте
Экспериментально доказано, что в условиях одноосной деформа-
ции датчик должен обладать наибольшей жесткостью и наименьшей тол-
щиной. На рис. 7.1. приведены наиболее часто применяемые схемы датчи-
ков напряжений в грунтах. Во всех конструкциях внутренняя полость дат-
чика может быть заполнена жидкостью, изменение давления в которой пре-
образовывается в электрический сигнал при помощи упругого элемента с
наклеенными тензорезисторами. Датчики могут выполняться в виде сплош-
ных шайб из пьезокристаллов или из магнитострикционных материалов.
Рис. 7.1. Конструкции датчиков напряжений в грунтах:
а - с гибкой мембраной, б - мембранный с жесткой шайбой, в - поршне-
вой, г- типа «грибок»
При одноосном напряженном состоянии, если ось датчика совпада-
ет с направлением главного напряжения, ошибка результатов не превышает
10-15%. При наличии напряжений, действующих в плоскости датчика, об-
ладающего большой жесткостью, искажения выходного сигнала могут дос-
тигать 100%. Для тонкого эластичного датчика (тонкая полость, заполнен-
ная жидкостью) эти искажения не превышают 15%. При изменении угла
между направлениями нормали к рабочей поверхности жесткого датчика и
осью максимального главного напряжения выходной сигнал также претер-
певает искажения в пределах 20-25%. Исследования влияния двух главных
напряжений ог и az, действующих в плоскости рабочей поверхности датчи-
6*
163
ка, измерение третьего главного напряжения, действующего по нормали к
поверхности датчика, с учетом влияния режима нагружения позволяет ус-
тановить картину взаимодействия жесткого датчика и грунта. Концентра-
ция напряжений в грунте для жестких дисковидных датчиков при нали-
чии значительных деформаций в грунте может изменяться в значительном
диапазоне (в песке плюс 70... 100% и минус 30...50%) и зависит от режима
нагружения. Повышенную концентрацию напряжений вызывают жесткие
грунтовые ядра, возникающие за счет сил трения грунта на поверхности
датчика.
7.1.2. Эластичный датчик напряжений в грунте
Датчик в грунте обладает минимальной сжимаемостью и толщи-
ной, достаточной площадью, позволяющей усреднять напряжения в задан-
ной области. Эластичный датчик представляет собой резиновый тонкий
диск, пронизанный сообщающимися полостями заполненными мало-
сжимаемой жидкостью. Конструкция эластичного датчика (рис.7.2) пред-
ставляет собой прямоугольную тонкую трубку, уложенную двойной спира-
лью, или два диска, соединенные по контуру во множестве точек по по-
верхности.
©О О О о OJOOOO ООО О Ь Q О-РоОО
оо °ООО°О ор оо °ооо°о 1°(рс
Рис.7.2. Эластичный датчик напряжений в грунте:
1 - поверхность датчика; 2 - струнный измеритель давления; 3 - электро-
магнит; 4 - струнный преобразователь
I
Объем жидкости составляет 6... 10% объема датчика, а площадь
поперечного сечения по жидкости 75...80% от площади датчика. Внутрен-
няя полость соединена со струнным измерителем давления. Напряжения,
возникающие в грунте, создают в рабочей жидкости датчика давление, ко-
торое измеряется струнным преобразователем. Колебания струны создают-
ся электромагнитом. Теоретические и экспериментальные исследования
показали, что при малой толщине диска в однородном поле напряжении
164
погрешность измерения нормальных напряжений не превышает ±15%.
На рис.7.3 представлена кривая погрешности измерения од нор-
мальных к плоскости датчика напряжений в зависимости от отношения
значений главных напряжений ог и oz, действующих в плоскости датчика.
Кривая 2 дает аналогичную зависимость для жесткого датчика при сходных
режимах нагружения. Максимальная погрешность для эластичного датчика
составляет 15%.
Рис. 7.3. Погрешность эластичного и жесткого
датчиков напряжений в грунтах
Для получения достоверных данных о напряжениях в грунтах не-
обходимо проводить метрологические испытания датчиков напряжения на
специальных испытательных установках. В этих установках воспроизводят
гидравлическим или пневматическим способом заданные давления на рабо-
чую поверхность датчика. Чувствительность датчиков напряжения к темпе-
ратуре определяют в термостатах, оснащенных термометрами.
7.1.3. Струнные жесткие датчики
Для изучения взаимодействия датчика и 1рунта разработан ряд уст-
ройств. Все схемы должны обеспечивать создание на границах с грунтом
однородного напряженного состояния. Для измерения напряжений на кон-
такте сооружения с грунтом применяют струнные жесткие датчики
(рис.7.4) с деформативностью, близкой к деформативности бетона. Давле-
ние грунта передается с контактной площадки внешней мембране через
гидравлическую полость на рабочую мембрану. Струна крепится к мембра-
не нижним струнодержателем и к защитному кожуху верхним струнодер-
жателем. Колебания струны возбуждаются электромагнитом.
Кожух имеет заливное отверстие и резьбу для установки датчика в
сооружение. Выходной сигнал измеряется частотомером. Датчики устанав-
165
ливают в жестко забетонированные в конструкцию закладные гнезда или
обоймы так, чтобы рабочая поверхность датчика совпадала с поверхностью
конструкции. При изучении взаимодействия монолитных фундаментов с
грунтом обоймы предварительно бетонируют в небольших блоках, которые
после установки в них датчиков располагают в нужных зонах. Чтобы
уменьшить влияние напряжений, возникающих в бетоне при твердении,
боковую поверхность датчика защищают материалом с низким модулем
упругости.
Рис. 7.4. Схема датчика напряжений:
1 - заливное отверстие; 2 - кожух; 3 - струнодержатель; 4 - защитный
кожух; 5 - электромагнит; 6 - резьба; 7 - струна; 8 - мембрана; 9 - струно-
держатель; 10 - внешняя мембрана; 11- гидравлическая полость; 12 - контактная
площадка
В некоторых конструкциях в датчиках применяют тснзорезистор-
ные преобразователи, наклеиваемые на упругий элемент. Малогабаритные
датчики с тензорезисторными преобразователями находят применение в
модельных исследованиях при статических и динамических испытаниях.
7.1.4. Комбинированный датчик
Для измерения нормальных и касательных напряжений использу-
ется комбинированный датчик, схема которого приведена на рис.7.5. При
воздействии давления грунта N по нормали к рабочей диафрагме она де-
формируется и тензорезистор TR, наклеенный в центре внутренней поверх-
ности диафрагмы, преобразует деформацию в электрический сигнал, про-
порциональный нормальному давлению грунта.
166
Для компенсации температурных воздействий в полости прибора
на поверхность пластины, не подвергающуюся силовым воздействиям, на-
клеен компенсационный тензорезистор TRK.
Рис. 7.5. Схема датчика для измерения нормальных и касательных напряжений:
1 - корпус; 2 - зазор; 3 - рабочая диафрагма; 4 - диафрагмы; 5 - пласти-
на; 6 - свободный конец упругого элемента; 7 - упругий элемент
При появлении сдвиговых усилий Q, действующих в горизонталь-
ном и вертикальном направлениях, силы трения на поверхности диафрагмы
деформируют упругий элемент, жестко закрепленный в корпусе прибора.
При этом тензорезисторы TRi и TR2 воспринимают вертикальное касатель-
ное усилие, а тензорезисторы TR3 и TR4 - горизонтальное усилие. Диск
диафрагмы, жестко закрепленный на свободном конце упругого элемента,
за счет зазора имеет возможность перемещаться относительно корпуса.
7.1.5. Прибор для измерения напряжений в грунтах
В приборе, схема которого изображена на рис.7.6, нормальное Р и
поперечное Q усилия приложены к рабочей поверхности чувствительного
элемента.
Рис. 7.6. Схема прибора для измерения
нормальных и касательных напряжений в грунтах
167
Действие эксцентрично приложенной нормальной силы деформи-
рует упругие элементы, на внутреннюю поверхность которых наклеены
тензорезисторы TR| и TR2. Касательные усилия вызывают изгиб упругих
тонких элементов, на которых установлены тензорезисторы TR3 и TR*. Та-
кая система позволяет определять эксцентриситет е, а также значения Р, Q,.
hQz.
7.1.6. Датчик для измерения активного давления
Датчик предназначен для измерения активного давления и
его приращения в грунтовом основании при проведении полевых,
лабораторных экспериментальных исследований и эксплуатации оснований
и фундаментов зданий и сооружений (рис.7.7).
Рис.7.7. Датчик для измерения давления в грунте:
1 - корпус; 2 - жесткая перегородка; 3 - рабочий штамп; 4 - вспомога-
тельный штамп; 5 - верхний пьезорезистор; 6 - нижний пьезорсзистор; 7 - токо-
съёмные обкладки; 8 - изолирующие прокладки; 9 - нижняя крышка; 10 - плоская
пружина; 11 - микровинт; 12 - заглушка; 13 - сальник; 14 - уплотнительный эле-
мент; 15 - заполнитель
Технические характеристики датчика
I. Диапазон измеряемых давлений, МПа 0.. .0,3
2. Чувствительность, МПа 0,0010
3. Модуль упругости, МПа 80... 100
4. Коэффициент тензочуствительности > 100
5. Геометрические размеры датчика, мм
диаметр 24,0
высота 4,0
6. Диапазон рабочей температуры, С° -20...+40
Конструкция датчика позволяет без применения специальных
дорогостящих материалов, прецизионной технологии изготовления и
дорогостоящих электронных усилителей добиться высокой
168
чувствительности при изменении давления, достаточной точности и
эксплуатационной надежности в случае проведения обязательной
тарировки рассматриваемых датчиков перед каждым испытанием в
условиях, соответствующих запланированному эксперименту.
Датчик может иметь размеры соизмеримые с рабочей средой, в ча-
стности с зернами песчаного грунта, что также может позволить планиро-
вать и выполнять эксперименты не только на макро-, но и на микроуровне,
который в свою очередь даст возможность принципиально по-новому изу-
чить работу грунтового основания под различными зданиями и сооруже-
ниями.
7.2. Измерение порового давления в грунтах
Полное напряжение в грунте складывается из напряжений в скеле-
те грунта, а также порового давления в жидкой и газообразной фазах. Зна-
чения этих величин зависят от относительного содержания твердой, жидкой
и газообразной фаз в единице объема грунта. Измерение порового давления
в грунте необходимо для оценки напряженного состояния. Основным инст-
рументом для измерения порового давления являются пьезометрические
датчики (пьезометры).
7.2.1. Электрические пьезометры
В лабораторных и натурных дистанционных измерениях все боль-
шее применение находят электрические пьезометры (рис.7.8), основанные
на воздействии давления воды в рабочей полости пьезометра на диафрагму
3, перемещение которой пропорционально давлению; оно преобразуется
при помощи тензометрического индуктивного или струнного преобразова-
телей 4 и 5 в электрический сигнал.
Рис. 7.8. Электрический струнный пьезометр:
1 - корпус; 2 - фильтр; 3 - диафрагма; 4 и 5 - преобразователи;
6 - изоляция; 7 - провод
169
1.22. Пьезометры с набивкой
На рис. 7.9, а представлен пьезометр с пористой набивкой 4. Об-
садная труба 3, закрытая деревянной торцевой крышкой 5, опускается в
скважину, а свободное пространство заполняется песчаной набивкой 4. Низ
трубы перфорирован по длине I. Сверху имеются бетонная заливка 2 и
крышка 1.
а
Рис. 7.9. Схемы пьезометров с набивкой:
1 - крышка; 2 - заливка; 3 - осадная труба; 4 - песчаная набивка; 5 - дере-
вянная торцевая крышка; 6 - набивка из водонепроницаемого грунта
Пьезометр с водонепроницаемой набивкой (рис.7.9, б) имеет ана-
логичную конструкцию, только ниже и выше перфорированного участка
производится набивка водонепроницаемого грунта 6.
Жидкость, проникающая через фильтр, создает в полости давление,
соответствующее поровому, которое может быть измерено гидростатиче-
ским, пневматическим или электрическим преобразователями давления.
Пьезометры должны измерять как положительное, так и отрицательное
давление, вносить минимальное искажение в структуру и физико-
механические свойства грунта в исследуемой зоне, обладать достаточно
быстрой реакцией на изменение порового давления, давать стабильные по-
казания.
170
Основные погрешности измерения порового давления обусловлены
инерционностью измерительной схемы. Часто встречающимся источником,
приводящим к ошибке измерения порового давления, является накопление
воздушных пузырьков в зоне фильтра пьезометра или в подводящих труб-
ках. Предусматривается специальная система воздухоудаления, зачастую
достаточно сложная.
При измерении порового давления должны быть исключены утечки
из системы и влияние температуры (особенно зимой). Кроме того, необхо-
димо обеспечить чистоту фильтров, соответствующий подбор их коэффи-
циентов фильтрации и отсутствие посторонних включений в рабочей жид-
кости пьезометров.
Пьезометры с набивкой и электрические пьезометры малоинерци-
онны, поэтому позволяют проводить динамические измерения.
7.3. Метод индикаторов
Метод индикаторов предназначен для исследования фильтрации в
гидротехнических сооружениях и грунтах. Для изучения движения фильт-
рационных потоков эффективным является метод радиоактивных инди-
каторов - меченых атомов. Этот метод заключается в определении ос-
новных закономерностей движения фильтрационного потока по движению
индикатора - радиоактивного химического соединения, введенного в дви-
жущийся поток. Радиоактивный индикатор и его концентрация в фильтра-
ционном потоке обнаруживаются по радиоактивному излучению при по-
мощи радиоизотопных измерительных устройств.
Радиоактивные индикаторы имеют ряд преимуществ перед таки-
ми индикаторами, как соли или красители, так как они обладают:
- способностью при чрезвычайно малых массовых концентрациях
индикатора быть обнаруживаемыми в фильтрационном потоке, благодаря
чему раствор индикатора не меняет своей плотности;
- легкостью обнаружения и измерения концентрации непосредст-
венно в потоке благодаря наличию проникающего радиоактивного излуче-
ния; большим разнообразием радиоактивных соединений с различными
физико-химическими свойствами;
- большим количеством короткоживущих радиоактивных изотопов,
распадающихся через малые промежутки времени.
Преимущества метода радиоактивных индикаторов проявляются
при изучении движения окрашенных, сильно минерализованных потоков,
передвигающихся с большими скоростями при неоднородном строении
пласта, т. е. тогда, когда применение других методов результата не дает.
Оказывается возможным установить направление фильтрационного потока,
пути фильтрации, скорость фильтрации и среднюю скорость движения во-
ды в порах грунта, расход воды и коэффициент фильтрации.
Параметры фильтрационного потока могут быть определены в бе-
171
реговых сопряжениях, в основании и в самом теле гидротехнических со-
оружений. При помощи индикаторов можно оценить режим работы дре-
нажных систем и систем водопонижения, установить наличие сосре-
доточенной фильтрации в железобетонных элементах сооружений, искус-
ственных противофильтрационных завесах, экранах и шпунтовых стенках.
Для проведения исследований используется либо куст скважин,
либо одна скважина (рис.7.10).
Рис.7.10. Схема расположения скважин:
1 - пусковая скважина; 2 - наблюдательные скважины
В пусковую скважину погружается индикатор при помощи специ-
ального устройства, взрывающего ампулу с индикатором и обеспечиваю-
щего мгновенное распространение радиоактивного вещества в рабочей по-
лости скважины. Затем в пусковую или наблюдательные скважины опуска-
ют детектор, измеряющий изменение концентрации радиоактивного ве-
щества в различных точках скважины по высоте, что позволяет установить
скорости фильтрации в разных частях основания или сооружения и выявить
зону распространения вещества.
Концентрация радиактивного индикатора и ее изменение опреде-
ляются по изменению интенсивности радиоактивного излучения в скважи-
не в отобранной пробе воды (количества импульсов N, зарегистрированных
в единицу времени). Для определения направления потока ведется наблю-
дение за изменением концентрации индикатора в наблюдательных скважи-
нах. Сложные задачи по определению путей сосредоточенной фильтрации
могут решаться, если производить запуск в нескольких пусковых скважи-
нах радиоактивных индикаторов, отличающихся видом или энергией излу-
чения. В этом случае концентрация различных индикаторов в наблюдатель-
ных скважинах определяется раздельно для каждого индикатора.
Скорость движения воды в порах грунта определяется по наблюда-
тельным скважинам. Значение действительной скорости движения поть
ка И определяется по формуле:
172
И = l/tp, (7.1)
где I - расстояние от точки запуска до места обнаружения;
tp -расчетное время движения индикатора.
Для определения величины tp строится кривая изменения концен-
трации индикатора в наблюдательной скважине по времени. В качестве
точки отсчета принимают время, соответствующее максимуму интенсивно-
сти концентрации индикатора в пусковой скважине. Значение скорости
фильтрации V определяется по формуле:
V = 0,785 £d/kd, ‘ (7.2)
где % - (l/t)ln(Nt/No) - коэффициент интенсивности разбавления
индикатора;
/ - время, в течение которого происходит изменение концентрации
индикатора от начального значения No до М;
No и Nt - интенсивности счета импульсов, пропорциональные кон-
центрации индикатора;
d - диаметр пусковой скважины;
kd - коэффициент дренирующего влияния скважины; для новых,
мало эксплуатировавшихся фильтров kd принимают равным 2, а для старых
фильтров kd принимают равным 1.
Коэффициент фильтрации К для способа пусковых скважин оп-
ределяется по формуле:
К = V/I, (7.3)
а для способа наблюдательных скважин
К = U-m/I. (1А)
где I = ДИ/Д1 - градиент потока, определяемый по карте пьезоизогипс или
по формуле:
I = (hn- hj/l, (7.5)
h,„ hH - уровни воды в пусковой и наблюдательной скважинах;
/ - расстояние между скважинами.
В качестве индикаторов применяют химические соединения ра-
диоактивного трития, натрия - 24, серы - 35, железа - 59, брома - 82, руби-
дия - 86 и иода - 131. Следует по возможности выбирать соединения и изо-
топы, слабо сорбирующиеся на грунтах данного состава, с тем чтобы
уменьшить потери индикатора.
Заслуживает особого внимания методика использования природ-
ных радиоактивных индикаторов для изучения различных форм движения
влаги в природе. Природными индикаторами являются стабильные изото-
пы (дейтерий и кислород-18), а также радиоактивные изотопы, непрерывно
образующиеся в верхних слоях атмосферы в результате ядерных реакций
частиц космического происхождения с атомами элементов, составляющих
атмосферу. Вместе с атмосферной влагой в почве и грунте природные ин-
дикаторы образуют радиоактивные метки. Если систематически определять
173
содержание радиоактивных изотопов космического происхождения в выпа-
дающих осадках, а также фиксировать количество выпавших осадков, то
дальнейшее движение выпавшей влаги можно наблюдать во времени и про-
странстве.
Космогенные индикаторы (тритий, бериллий - 7; бериллий - 10,
углерод - 14, натрий - 22, кремний - 32, фосфор - 32, сера - 35, хлор - 36)
обладают различными периодами полураспада. Особенный интерес пред-
ставляет тритий, который по своим свойствам практически не отличается от
водорода. При миграции влаги тритий в результате изотопного обмена три-
тия и водорода распределяется между различными формами влаги в мате-
риале - кристаллической, капиллярной и жидкой. Использование тритиевой
метки позволило доказать изотопообменную подвижность связанной воды
в пористых материалах и грунтах.
Использование способа вытеснения водорода обычной воды три-
тием позволило изучить формы связи влаги со скелетом грунта (рис.7.11).
Изотопное равновесие, то есть равное количество уходящих и приходящих
атомов трития, наступает сначала в свободной влаге, затем - в механически
связанной, а далее в зоне физико-химических связей и, наконец, в скелете
грунта. Наблюдения за темпом- уменьшения концентрации исходного рас-
твора трития, в который помещена проба грунта, позволяют количественно
оценить соотношение форм связи влаги со скелетом.
Рис.7.11. Характер изменения концентрации трития при изучении форм
связи влаги со скелетом:
1 - интервал жидкой фазы; 2 - интервал капиллярной фазы; 3 - интервал
поверхностной фазы; 4 - интервал кристаллической фазы
Пробы грунта погружаются в тритиевую воду, затем строятся зави-
симости изменения концентрации трития во времени в полулогарифмиче-
ском масштабе. Характерные участки полученной зависимости (рис.7.11)
позволяют судить о характере связи со скелетом материала. 1, 2, 3, 4 - ин-
тервалы, которые характеризуют изотопный обмен с различными фазами.
174
7.4. Полевые методы определения плотности, влажности
и деформативности грунтов
При намыве плотин, постройке дорог и гидротехнических соору-
жений возникает необходимость измерений плотности и влажности грун-
тов.
Преимущества полевых методов перед традиционными заклю-
чаются в следующем:
- измерения производятся непосредственно в полевых условиях без
отбора контрольных образцов;
- измерения могут производиться многократно и позволяют про-
следить кинетику изменения плотности и влажности грунтов;
- глубина скважин может достигать 30 метров, что позволяет по-
слойно определять свойства грунта;
- время одного измерения достигает 2-3 мин, при этом быстро
можно получить представительную информацию о плотности и влажности
для больших площадей и объемов.
а) Определение влажности производится нейтронным методом,
который основан на замедлении быстрых нейтронов ядрами водорода.
Влажность грунта определяется плотностью медленных нейтронов в рас-
сматриваемом объеме, зарегистрированных детектором нейтронов. Опреде-
ление плотности грунта основывается на эффекте рассеяния гамма-квантов
атомами элементов изучаемой среды.
Во ВНИИГиМ разработан универсальный влагомер, предназначен-
ный для поверхностных и глубинных (в скважинах) измерений влажности
почв и грунтов. В скважинах мотуг быть установлены обсадные трубы.
б) Для измерения плотности грунтов применяются гамма-
плотномеры, основанные на принципе рассеянного излучения (рис.7.12).
Рабочий объем грунта, с которого собирается 90% информации, описывает-
ся радиусом 8... 10 см при плотности 1200 кг/м3 и радиусом 3...5 см при
плотности 1800 кг/м3.
На схеме (рис.7.12, а) показан прибор, который работает по прин-
ципу рассеянного излучения, а на схеме (рис.7.12, б) показан источник, ко-
торый внедряется в грунт и работает по принципу поглощения широкого
пучка гамма-излучения.
В качестве источника излучения используется радиоактивный це-
зий-137. Преобразователь плотномера включает источник излучения в кон-
тейнере, свинцовый экран, детектор излучения, соединенный с регистри-
рующим блоком. При измерении поверхностной плотности, используется
короткий шток, а между поверхностью грунта и преобразователем - пла-
стина. При определении плотности на глубине шток удлиняется и его нако-
нечник снабжается перфоратором.
175
Рис. 7.12. Универсальный гамма-плотномер для грунтов:
а - работа прибора по принципу рассеянного излучения;
б - работа источника по принципу поглощения пучка гамма-излучения;
I - детектор излучения; 2 - преобразователь плотномера; 3 - свинцовый
экран; 4 - короткий шток; 5 - контейнер; 6 - регистрирующий блок; 7 - источник
излучения
в) Для определения деформационных характеристик грунтов в
полевых условиях можно использовать установку для испытания грунтов
статической нагрузкой (рис.7.13). Установка включает штамп, нагрузочное
устройство, состоящее из гибкой трансформирующей оболочки из эластич-
ного и водонепроницаемого материала, сообщенной с источником жидко-
сти, платформы с ребрами жесткости и системы предохранительных оття-
жек и анкеров, и измерительную систему. Для снижения трудоемкости
проведения испытании и повышения надежности установки она снабжена
телескопическими стойками, закрепленными сверху и снизу на платформе.
При этом цилиндрическая оболочка закреплена посредством кольцевого
176
элемента по периметру на концах верхних стоек, установленных снаружи
оболочки. Стойки снабжены автоматической системой их фиксации в рабо-
чем положении и гибкими растяжками.
После снятия “нулевого” отсчета с системы измерения нагрузочное
устройство синхронно с помощью гидросистемы нижних стоек опускается
строго симметрично на штамп и снимается следующий отсчет с системы
измерения осадок штампа. Затем загрузка штампа и снятие отсчетов с сис-
темы измерения осадок штампа может производиться либо плавно с любой
наперед заданной скоростью, либо дискретно в виде любых наперед задан-
ных ступеней с помощью жидкости, наливаемой в оболочку с определенной
скоростью или определенными наперед заданными ступенями - объемами.
Рис.7.13. Установка для испытания грунтов:
I - штамп; 2 - круглая платформа; 3 - ребра жесткости; 4 - нижние теле-
скопические стойки; 5 - телескопические стойки; 6 - предохранительные оттяжки;
7 - цилиндрическая оболочка; 8 - анкера
7.5. Методы каротажа сквЯжин
При инженерно-геологических и гидрогеологических исследовани-
ях для обоснования проектов мелиоративных и гидротехнических сооруже-
177
ний необходимо иметь данные о физических свойствах грунтов на глубинах
до 25 м. Для решения этой задачи эффективными являются методы радио-
активного каротажа скважин.
Для определения плотности грунта и его влажности осуществляет-
ся непосредственное вдавливание измерительного зонда в грунт без пред-
варительной проходки скважины. В этом случае снимаются помехи, свя-
занные с обсадкой скважины, образованием затрубных каверн, зазорами
между зондом и стенкой скважины, наличием глинистого раствора.
Разработан комплекс «Пенекар», который включает методы гам-
ма-каротажа, гамма-гамма-каротажа и нейтрон-нейтронного карота-
жа. Последний предусматривает измерения по тепловым нейтронам. Кроме
того, в комплексе предусмотрено электротензометрическое устройство,
позволяющее получить данные о физико-механических свойствах грунтов
путем измерения лобового сопротивления грунта погружению корпуса Р и
трения грунта Т по боковой поверхности датчика.
На рис.7.14 приведена схема пенетрационно-каротажной станции
для определения физико-механических свойств грунтов. Станция состоит
из установки для погружения штанги и комплекса наземной регистрирую-
щей аппаратуры, расположенной в автобусе.
Рис. 7.14. Схема пенетрационно-каротажной станции
1 - погружаемая аппаратура; 2 - штанга; 3 - установка для погружения
штанги; 4 - автобус; 5 - регистрирующая аппаратура
Гидро домкрат развивает усилие до 120т, что позволяет исследовать
рыхлые отложения на глубину до 25-30 м при скорости погружения до 6
м/мин.
Радиометрические и тензометрические датчики размещены в двух
комбинированных зондах. В первом зонде расположены датчики гамма-
гамма-каротажа (рассеянного гамма-излучения), лобового сопротивления и
178
трения, во втором - датчики нейтронного каротажа и гамма-каротажа.
За одно погружение можно одновременно получить количествен-
ную информацию от трех датчиков. В качестве источников излучения ис-
пользованы: цезий-131 - для гамма-зонда; плутоний и бериллий - для ней-
тронного зонда.
7.6. Метод уплотнения и повышения устойчивости грунтов
Для принудительной консолидации, уплотнения и повышения ус-
тойчивости грунта и грунтовых сооружений может быть использован грун-
товый анкер (рис.7.15). Грунтовый анкер включает тягу, вокруг которой
размещена усиленная в продольном направлении цилиндрическая оболоч-
ка. которая прикреплена своими концами к тяге и оснащена трубопроводом
для подачи в нее воздуха. Анкер снабжен устройством для образования
лидирующей скважины
и реверсивным пневмоударником, оснащенными
трубопроводом для подачи в них воздуха.
При этом тяга выполнена полой,
пневмоударник размещен в нижней части
тяги и жестко прикреплен к ней.
Устройство для образования лидирующей
скважины выполнено со шнековой
спиралью, размещено под
пневмоударником и жестко соединено с
ним. Трубопроводы выполнены гибкими и
размещены в полости тяги.
Рис.7.15. Грунтовый анкер
1 - рабочий трос; 2 - несущая тяга;
3 - цилиндрическая оболочка;
4 - концевые элементы;
5 - хомуты; 6 - устройство для образования
лидирующей скважины;
7 - шнековая спираль;
8 - пневмоударник;
9 - гибкий трубопровод;
10 - управляемые каналы
Одной из главных положительных особенностей грунтовых анке-
ров является возможность удаления их из грунта после выполнения всех
запланированных работ и повторного многократного использования для
различных целей без какого-либо ухудшения их технических параметров.
179
Временное преднапряжение анкера по грунту можно легко
снимать простым понижением рабочего давления в оболочке до нуля.
Возможность выполнения реверса, то есть изменения направления
вращения и удара соответственно у шнековой обкатывающей системы
устройства и пневмоударника, позволяет поднять весь анкер на
поверхность грунтового основания.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Учебный курс “Обследование и испытание зданий и сооружений”
входит в цикл специальных дисциплин в соответствии с Государственным
образовательным стандартом высшего профессионального образования по
направлению “Строительство” и специальности 290300 - “Промышленное
и гражданское строительство”, утвержденным 7 марта 2000 г.
Министерством образования Российской федерации. Данный
теоретический и экспериментальный курс является завершающим в ходе
подготовки молодых специалистов в указанной области.
Настоящее учебное пособие позволило систематизировать и
обобщить большой аналитический и практический опыт, накопленный в
данной области за последние 10 лет.
При этом в работе отражены: комплекс методов и средств
проведения инженерного эксперимента, неразрушающие методы
испытания, основы моделирования строительных конструкций, методы
обследования и испытания несущих конструкций зданий и сооружений,
особенности определения напряжений и давлений в грунтах.
Кроме отмеченного, в учебном пособии представлено описание
лабораторных установок и лабораторных работ, созданных в Балаковском
институте техники, технологии и управления. В работах использованы
приборы нового поколения, оснащенные прогрессивными компьютерными
технологиями и соответствующим программным обеспечением.
Одновременно в работе отражены все современные и прогрессивные
тенденции в развитии методов обследования и испытания зданий и
сооружений с использованием высоких технологий и новейшего
аппаратного и приборного обеспечения.
В целом изучение представленного материала позволит студентам
на практике более глубоко вникнуть з физическую суть изучаемой
дисциплины и наглядно представить фактическую взаимосвязь
теоретических основ механики твердого тела с особенностями
практического применения и эксплуатации несущих и ограждающих
конструкций в зданиях и сооружениях различного назначения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Аронов Р.И. Испытание сооружений: Учеб, пособ. для вузов. - М.: Высшая
школа, 1974. - 187 с.
Берлинов М.В. Основания и фундаменты: Учеб, для строит, спец, вузов. - 2-е
изд., перераб. и доп. - М.: Высш, шк., 1998. - 319 с.
Бойко М.Д. Техническое обслуживание и ремонт зданий и сооружений. - Л.:
Стройиздат, 1986. - 256 с.
Грешников В.А., Дробо Ю.Б. Акустическая эмиссия. - М.: Изд-во стандартов,
1976.-272 с.
Гринберг В.Е., Семетов В.Г., Шойхет Г.Б. Контроль и оценка состояния
несущих конструкций зданий и сооружений в эксплуатационный период. - Л.:
Стройиздат, 1982. - 19с.
Далматов Б.И., Морарескул Н.Н., Науменко В.Г. Проектирование фундаментов
зданий и промышленных сооружений. - М.: Высш, школа, 1986. - 250 с.
Долидзе Д.Е. Испытание конструкций и сооружений: Учеб, пособ. для вузов. -
М.: Высшая школа, 1975. - 252 с.
А.с. №1478059 А1. Землянский А.А., Малышев М.В. / Устройство для
измерения давления грунта // Бюл. изобр. 1989. №17.
А.с. №1539257 А1. Землянский А.А., Малышев М.В. / Установка для
испытания грунтов статической нагрузкой // Бюл. изобр. 1990. №4.
. А.с. № 1796744 А1. Землянский А.А. / Грунтовый анкер // Бюл. изобр. 1993. №7.
. Золотухин Ю.Д. Испытание строительных конструкций: Учеб, пособ. для
вузов. - Минск: Вышэйш. школа, 1983. - 208 с.
. Ионин Д.А., Яковлев Е.И. Современные методы диагностики магистральных
трубопроводов. - М.: Недра, 1987. - 232 с.
. Кештейн И.М. и др. Основы экспериментальной механики разрушения. - М.:
Изд-во Моск, ун-та, 1989. - 140 с.
. Лужин О.В., Волохов В.А., Шмаков Г.Б. и др. Неразрушающие методы
испытания бетона: Совм. изд. СССР - ГДР / Под ред. О.В. Лужина. - М.:
Стройиздат, 1985. - 236 с.
. Малышев В.М. Прочность грунтов и устойчивость оснований сооружений. -
М.: Стройиздат, 1980.
. Мозгалевский А.В., Гаскаров Д.В. Техническая диагностика. - М.: Высшая
школа, 1975. - 205 с.
. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка прочности результатов измерений. - Л.:
Энергоатомиздат, 1991. - 304 с.
. Овчинников И.Г., Федоров М.В. Современные методы неразрушающего
контроля инженерных сооружений: Учеб, пособ. для вузов. - Саратов: Сарат.
гос. техн, ун-т, 1999. - 120 с.
. Основания, фундаменты и подземные сооружения: Справочник
проектировщика / Под ред. Е.А. Сорочана, Ю.Г. Трофименкова. - М.:
Стройиздат, 1985.
. Питлюк Д.А. Испытание строительных конструкций на моделях. - Л.:
Стройиздат, 1971. - 159 с.
. Прис Б.В., Дэвис Д.Д. Моделирование железобетонных конструкций. - Мн.:
Вышэйш. школа, 1974. - 222 с.
. Пархоменко П.П., Согомонян Е.С. Основы технической диагностики. - М.:
Энергия, 1981. - 320 с.
181
23. Ренский А.Б., Баранов Д.С., Макаров Р.А. Тензометрирование строительных
конструкций и материалов. - М.: Стройиздат, 1977. - 239 с.
24. Райзер В.Д. Расчет и нормирование надежности строительных конструкций. -
М.: Стройиздат, 1995.- 348 с.
25. Рибицки Р. Повреждения и дефекты строительных конструкций: Пер. с нем. -
М.: Стройиздат, 1982. - 432 с.
26. Ройтман А.Г. Предупреждение аварий жилых зданий. - М.: Стройиздат, 1990. -
240 с.
27. Расчет сейсмостойкости вертикальных цилиндрических резервуаров / Ю.Л.
Бормот, В.И. Малый, В.Л. Куликов, М.О. Павлов // Промышленное и
гражданское строительство. 1995. №5. - С. 25-26.
28. Руководство по обследованию и дефектоскопии металлических резервуаров
вместимостью от 100 до 50.000 куб.м. - Астрахань: Изд-во ЦНИЛ
Госкомнефтепродукта РСФСР, 1990. - 145 с.
29. Розенштейн И.М. Аварии и надежность резервуаров. - М.: Недра, 1995. - 225 с.
30. Скаляров В.Ф., Гуляев В.А. Диагностическое обеспечение энергетического
производства. - Киев: Техника, 1986. - 184 с.
31. СНиП 11-23-81*. Стальные конструкции / Госстрой СССР. - М.: ЦИТП
Госстрой СССР, 1990. - 96с.
32. СНиП 2.03.01 - 84. Бетонные и железобетонные конструкции / Госстрой СССР.
- М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1985. - 79 с.
33. Тюрин Н.И. Введение в метрологию. - М.: Изд-во стандартов, 1973.- 279 с.
34. Тимошенко С.П. История науки о сопротивлении материалов. - М.:
Гостройиздат, 1957. - 536 с.
35. Ухов С.Б. Расчёт сооружений и оснований методом конечных элементов: Учеб,
пособие. - М.: Стройиздат, 1973.
36. Шкинев А.Н. Аварии в строи гельстве. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.:
Стройиздат, 1984. - 320 с.
37. Шеин А.А., Овчинников И.Г., Землянский А.А. Свайные фундаменты и
фундаменты глубокого заложения: Учеб, пособ. - Саратов: Сарат. гос. техн,
ун-т, 2000. - 111 с.
38. Щербинский В.Г., Арешин Н.П. Ультразвуковой контроль сварных соединений
- М.: Стройиздат, 1989. - 320 с.
39. Byficld М.Р. and Nethercot D.A. Material and geometric properties of structural steel
for use in design. - The Structural Engineer, vol.75/No.21, Nov. 1997, pp.1-5.
40. CEN, “Eurocode 3: Design of steel structures - Part 1.1: General rules and rules for
buildings”, British Standards Institution, London, 1993.
41. Capu M., Engstrum B. Evaluation of Existing Concrete Structures, Charmers, 1999.
42. Diagnosis of concrete structures. Proceedings of the International conference.
Bratislava. Expertcentrum. 1991. pp. 560.
43. Dynamic behaviors of concrete structures. Proceedings of the International
conference. Bratislava. Expertcentrum. 1995. pp. 350.
44. Alpsten. G. Variations in mechanical and cross-sectional properties of steel.
E.C.C.S., Second International Colloquium on stability, Introductory Repot, liege,
1977.
45. CEN, “ENV 1993-1-1: Eurocode 3 Tiel 1-1: Anex Z - Determination of design
resign resistance from tests”, European Committee for Standardization, Brussels,
1993.
Приложение 1
Таблица I
Разновидность и технические характеристики приборов неразрушающего контроля - приборов нового поколения
Название прибора Контролируе- мый параметр Метод Марка прибора Диапазон измерения Погрешность, % Инди- кация Питание Масса Примеча- ние
1 2 3 г 4 5 6 7 8 9 10
Электрон- ный измери- тель защитного слоя бетона Толщина защитного слоя бетона, диаметр арматуры, расположение арматуры Магнитный ИПА-МГ4 Толщина защитного слоя бетона в пределах 3...70мм; диаметр арматуры - 3...40мм Погрешность +(-)10мм Ци- фро- вая От батареи из 5 акку- муляторов типа Д-0,26; напряжение питания 6в; ток не более 25 мА 0,9 кг Работа при температу- рах: -10° ...+40° С; при атм. давл. 630...800 мм.рт.ст.
Электрон- ный изме- ритель теплопро- водности Теплопровод- ность строи- тельных материалов Измерением плотности стационар- ным тепло- вым пото- ком и мето- дом тепло- вого зонда ИТП-МГ4 Коэффициент теплопровод- ности в диапазоне 0,04...0,8 Вт/(м°С) Методом плот- ности стацио- нарного тепло- вого потока +(-)7%; методом теп- лового зонда +(-)10% Ци- фро- вая От сети перемен- ного тока; напряжение питания 220в; ток не более 0,2А 3 кг Работа при температу- рах: -10° ...+40° С; при атм. давл. 630...800 мм.рт.ст.
Электрон- ные измерите- ли темпе- ратуры Температура неагрессивных сред: жидкостей, газов, сыпучих материалов, поверхностей металлов Для сред - метод погру- жения; для контактных измерений - метод изме- рения темпе- ратуры по- верхностей Терм-1 Терм-2 Терм-1 диапазон измерений -50° ...+200° С; Терм-2 диапазон измерений -50° ...+600 °C; .диапазон экс- плуатационных температур -10°...+50° С Температурная погрешность не более 0,02° С; погрешность измерения температуры t = +(-)0,5° Одно- ка- нал ь- ный ци- фро- вой От батареи и “Корунд” 200г Работа в неагрес- сивных средах
1 2 3 4 5
Электрон- ный изме- ритель активно- сти цемента Оперативный контроль активности цемента Кондукто- метрический метод измерения ИПЦ-МГ4 Актигность цемента в диапазоне 10...60 МПа
Электрон- ный измери- тель прочности бетона Контроль прочности, твердости, упруго-пласти- ческие свой- ства, выявлять неоднородно- сти, зоны пло- хого уплот- нения Метод ударного импульса ИПС-МГ4 Диапазон 3...100 МПА
Электрон- ный измери- тель влажности Оперативное измерение влажности Диэлько- мстрический метод Влаго-мер МГ4 Диапазон 4...45%
Мобиль- ный термо- региста- тор; при- бор сопря- жен с ком- пьютером Pentium- 100 Для регистрации температуры во времени Программи- рование ре- жимов с примене- нием ПК; операцион- ная система Windows 98 Термо- граф РТВ-1 Диапазон изменения температуры -40° ...+85° С
г родил же нис таблицы !
6 7 8 9 10
Относительная погрешность нс более +(-) 10% Ци- фровая От 5 акку- муляторов типа Д-026; ток нс более 8 мА: напря- жение 6в 1,2 кг Работа при температу- рах: - 40 + 40
Относительная погрешность не более ± 10% Ци- фровая От 5 аккумуля- торов типа Д-026; напряжение 6В, ток 10 мА 1,2 кг Работа при гемперату- рах:- 10 + 40
Погрешность 1...2% Циф- ровая От 5 акку- муляторов типа Д-026; напряжение 6В, ток 25 МА 500 г Работа при температу- рах: + 5 . 40
Точность измере- ния +(-)2°; Ци- фровая Питание - встроенная литиевая батарея 150г Интерфейс связи с ПК, устройство связи с компью- тером
Продолжение таблицы I
1 2 3 4 5 6 7 8 9 п 10
Прибор универ- сальный ультразву- ковой; со- пряжен с компью- тером Pentium Прочность, плотность, модуль упру- гости бетона, кирпича и абразивов, углеграфита Ультразву- ковой метод при поверх- ностном и сквозном озвучивании ПУЛЬСАР- 1.0 Диапазон вре- мени 10...2000 мкс; диапазон скорости 1000... 10000 м/с Погрешность 1% Ци- фровая От 3 акку- муляторов АА; напряжение 3,6 В; ток 50 МА При- бора 500г, датчи- ка 540 г Работа при температу- рах: -10...+ 50
Прибор для опре- деления прочности бетона; сопряжен с компью- тером Pentium Для определе- ния твердости, однородности, плотности и пластичности кирпича, бето- на, штукатур- ки, компози- TOL Ударно- импульсный метод ОНИКС-2.3 Диапазон измерений прочности 1...100МПа Погрешность 5% Ци- фровая От 2 аккуму- ляторных батарей или элементов типоразмера А А; ток 140 МА Изме- рителя -140г; дат- чика 160г Интерфейс связи с ПК; устройство связи с компьюте- ром
Дефекто- скоп вихрето- ковый Дня обнару- жения и оцен- ки глубины поверхностных трещин в стальных конструкциях, сварных швах Вихретоко- вая дефекто- скопия ВДЛ-5М Предельные размеры трещин: глубина- 0,25мм; ширина- 0.02мм Относительная погрешность оценки глубины трещины 20% Ци- фровая От 4 аккумулято- ров типа Д-026 120г Темпера- тура окру- жающей среды -10° ...+50° С; макс.влаж- ность 90% при t=25°
Электрон- ный изме- ритель ам- плитуды и частоты колебаний Оперативный контроль амплитуды и частоты колебаний Измерение параметра импульса ВИБРО- ТЕСТЕР- МГ4 Диапазон из- мерений ам- плитуды- 0,2... 2,5 мм; частота колебаний 15... 100гц Амплитуды колебаний +10%; частоты колебаний 1гц Ци- фровая От 5 акку- муляторов типа Д-026; напряжение 6В, ток 5мА Масса при- бора 640г Темпера- тура среды -10° ...+40° С;влаж- ность воз- духа 80%
Окончание таблицы 1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Измери- тель меха- нических напряже- ний и ко- лебаний, с интелле- ктуальной обработ- кой ин- формации Измерение механических напряжений и виброколеба- ний в отдель- ных элементах стержневой, и прядевой арма- туры; колеба- ний вибро- установок Частотный метод ИНК-2 Диапазон измерений: частоты 5... 100 гц; напряжений 50-2000 МПа; амплитуды колебаний 0,01...2; виброскорости 0,1..200 мм.с Погрешность: по частоте- 0,2%; по напряже- ниям 4,0МПа; по амплитуде колебаний и виброскорости 6% Ци- фровая Ток 5мА; Изме- ри- теля 120г, дат- чика 150г Темпера- тура среды -5° ...+45° С; влажность воздуха 80%
Измери- тель влаж- ности уни- версальна снабжен оптоинтер- фейсом Измерение влажности сыпучих, бето- на, кирпича, шлакоблоков, древесины, зерна Диэлектри- ческий метод ВИМС-1 Диапазон измерений О...1ОО% Погрешность 0,1% Ци- фровая От 2 акку- муляторов или элементов типа АА При- бора 160г; датчи- ка 340г Темпера- тура среды 0° ...+40° С; влаж- ность воздуха 60%
Измери- тель защит- ного слоя; сопряжен с компью- тером Определение толщины защитного слоя и диаметра арматуры Электромаг- нитный метод ПОИСК-2.3 Диапазон из- мерений: защит- ного слоя бетона 0...150мм; диа- метра арматуры 3...50мм Погрешности +(-)0,5+ 0,03Н мм Ци- фровая От аккуму- ляторов типа АА, В 3,0/2,5 Изме- рителя 140г, датчи- ка 200г Темпера- тура среды -10°... +40° С; влажность воздуха 90%
Электрон- ный изме- ритель напряже- ний в арматуре Контроль ве- личины пред- варительного напряжения в стержневой арматуре Частотный метод ЭИН - МГ4 Диапазон из- мерений: по диаметру - 5...28мм; по напряжениям - 150-1500 МПа Погрешности колебаний не более +(-) 0,4 %;напряжений не более +(-) 3% Ци- фровая От 5 акку- муляторов типа Д-026; напряжение 6В, ток 8 мА При- бора 600г Темпера- тура среды + 10° ...+40° С; влаж- ность воз- духа 80%
Приложение 2
ПЕРЕЧЕНЬ И КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
ПО ИЗУЧАЕМОМУ КУРСУ
Лабораторная работа 1
ПРИБОРЫ ДЛЯ СТАТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ
СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Цель работы: 1. Практическое изучение устройства основных механиче-
ских и электромеханических приборов, используемых при статических испытаниях
строительных конструкций, и овладение приемами работы с ними.
2. Практическое изучение устройства электронных приборов для опреде-
ления влажности и температуры окружающей среды и материала строительных
конструкций.
3. Ознакомление с основными принципами тарировки изучаемых прибо-
ров.
Состав работы
1. Приборы для измерения усилий.
а) Ознакомление с устройством динамометров различных систем.
б) Способы установки динамометров.
в) Определение усилий по показаниям динамометра.
2. Приборы для измерения прогибов, перемещений, осадок и углов пово-
рота.
а) Практическое изучение устройства и принципа действия индикатора часового типа,
прогибомера системы Максимова и Аистова, электронного цифрового измерителя
перемещений на базе бесконтактной сельсины марки БС-155А.
б) Способы установки и сопряжения приборов с испытываемой конструкцией.
в) Тарировка и снятие отсчетов с приборов.
3. Приборы для измерения местных (фибровых) деформаций и сдвигов,
а) Ознакомление с принципом работы механических тензометров системы Гуген-
бергера и электромеханических тензометров и сдвигометров системы Аистова.
б) Способы установки тензометров и сдвигометров. Особенности установки тензо-
метров на металле, дереве и бетоне. Проверка правильности установки.
в) Снятие отсчетов по тензометрам.
г) Вычисление напряжений по показаниям тензометров при различных базах, моду-
лях упругости и коэффициентах увеличения тензометров.
4. Приборы для измерения влажности материала строительных конструк-
ций.
а) Назначение и область применения прибора.
б) Основные технические характеристики.
в) Подготовка к работе и порядок работы на приборе.
г) Метрологическая аттестация прибора.
188
5. Приборы для измерения температуры окружающей среды и материала
строительных конструкций.
а) Назначения и область применения прибора.
6) Устройство и принцип работы.
в) Порядок работы с прибором.
г) Калибровка прибора.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
1. Приборы для измерения усилий
При испытаниях строительных конструкций статическими нагрузками,
если силовое воздействие на конструкцию осуществляется грузовыми механизмами
- домкратами, лебедками, талями, для измерения и регистрации прикладываемых
усилий применяются динамометры. Различают два вида динамометров: стационар-
ные и переносные.
Стационарные применяют в основном для проверки переносных динамо-
метров. Существует три типа рабочих переносных динамометров: пружинные, гид-
равлические и электрические.
Пружинные динамометры. В динамометрах указанной системы изме-
ряемое усилие передается непосредственно рабочей пружине. Последняя может
иметь разные формы: спиральную, плоскую или круглую. С измерительным меха-
низмом она соединена с помощью рычажной системы. В результате воздействия
внешних усилий пружина испытывает деформацию, которая затем усиливается ме-
ханической рычажной системой и регистрируется на рабочей шкале прибора. Нали-
чие между силой и деформацией пружины линейной зависимости позволяет опре-
делить по тарировочной кривой абсолютное значение действующей силы.
Гидравлические динамометры. В отличие от пружинных, в гидравличе-
ских динамометрах для регистрации измеряемых усилий используется не механиче-
ский, а гидравлический рычаг. При этом в динамометрах рассматриваемой системы
имеется гидравлический цилиндр силового звена и измерительный цилиндр. Давле-
ние, создаваемое в цилиндре силового звена, связано с измеряемой силой N форму-
лой:
р= 4* , (II)
jt(D2 -d2)
где D - диаметр рабочего поршня; d - диаметр стержня рабочего поршня.
Электрические динамометры. Динамометры указанной системы могут
иметь самые различные конструктивные схемы, в основу которых положено прак-
тическое применение тензорезисторных преобразователей. Последние позволяют
полностью автоматизировать процесс измерения и регистрации растягивающих или
сжимающих сил, изменяющихся как в статическом, так и в динамическом режимах.
С целью определения цены деления рабочей шкалы рассмотренных дина-
мометров необходимо до начала использования последних выполнить их тарировку.
Тарировка динамометров общего назначения выполняется одним из трех способов:
а) на образцовой силоизмерительной машине второго класса;
б) непосредственно загрузкой гирями IV класса;
в) сравнением показаний проверяемого и образцового динамометра при
одновременном приложении к ним нагрузки.
189
2. Приборы для измерения прогибов, перемещений,
осадок и углов поворота
Для измерения перемещений и прогибов отдельных точек конструкций
служат приборы, называемые прогибомерами. Существует достаточно большое
количество типов прогибомеров (индикаторы часового типа, прогибомеры системы
Максимова, системы Аистова и др.). Каждый из указанных типов применяют на
практике в зависимости от величины ожидаемых прогибов и точности, необходимой
при их измерении.
Индикаторы часового типа широко используются для замера неболь-
ших перемещений от 1 до 10 мм с точностью 0,001 или 0,01 мм.
Если перемещение конструкции более 10 мм, то на практике применяются
прогибомеры. Приборы данного типа используются для измерения перемещений
порядка нескольких сантиметров и более. Одним из наиболее распространенных
является прогибомер Максимова, сопряжение последнего с испытываемой конст-
рукцией выполняется с помощью гибкой нерастяжимой нити (стальная проволока
d=0,4 мм). Интервал измеряемых с помощью прогибомера Максимова перемещении
находится в пределах от 1 до 10 см. При этом шкала прибора имеет цену деления,
равную 0,1 мм.
Прогибомер системы Аистова по конструктивной схеме аналогичен при-
бору Максимова. Однако его усовершенствованная конструкция позволяет более
точно оценивать измеряемые перемещения с помощью трех рабочих шкал.
На первой шкале - с точностью 1 см (полный поворот 10 см).
На второй шкале - с точностью 1 мм (полный поворот 10 мм).
На третьей шкале - с точностью 0,01мм (полный поворот 1мм).
В последнее время с целью измерения больших прогибов разработаны и использу-
ются на практике электронно-цифровые измерители перемещений (ЭЦИ), в осно-
ву разработки которых положено применение бесконтактных сельсинов марки БС-
155 А.
Диапазон изменения цифрового отсчета данных приборов находится в
пределах от -9999999 до +9999999. Точность измерения деформаций достигает
104-15 мкм.
3. Приборы для измерения фибровых деформаций и сдвигов
Фибровые деформации материала строительных конструкций измеряются
при помощи тензометров. Наличие информации о фибровых (местных) деформаци-
ях и зависимости между напряжением (о) и деформацией (е) вида q = Е • £ позволя-
ет выполнять практическое определение напряжений, формирующихся в материале
строительных конструкций.
Наиболее часто при статическом испытании строительных конструкций
применяют механические и электромеханические тензометры системы Гугенбергера
(рис. 1.1), Аистова и Нилендера.
Коэффициент увеличения механических тензометров достигает 1000.
Нормальные напряжения в материале исследуемых конструкций определяются в
рассматриваемом случае по следующей формуле:
Д<7 = Д£Е= — £=—АС£ ’
L„ lOOOIc,
где ДА - приращение фибровых деформаций материала строительных конструкций;
Е - модуль упругости материала исследуемой конструкции, МПа;
190
1000 - коэффициент увеличения тензометра;
Lo - база тензометра, см.
Рис. 1.1. Кинематическая схема механических
тензометров системы Гугенбергера
Диапазон измеряемых деформаций без перестановки механических и элек-
тромеханических тензометров находится в пределах от 50 до 800 мкм.
Тарировку индикаторов часового типа, прогибомеров всех марок и меха-
нических тензометров до начала практического использования следует выполнять
либо с помощью тарировочного прибора системы Аистова марки УКПА-5, либо с
помощью универсального измерительного микроскопа УИМ-21. Первый позволяет
задавать деформации с точностью до 0,00001 мм, второй - до 0,001мм.
4. Приборы для измерения влажности материала
строительных конструкций
Прочность и деформируемость любой строительной конструкции зависит
на практике от физико-механических характеристик материала конструкций, а фи-
зико-механические характеристики материала строительных конструкций, в свою
очередь, зависят от его влажности, уменьшаясь с увеличением последней. Для соз-
дания эффективной системы измерения влажности окружающей среды и строитель-
ного материала в настоящее время НПО “Карат” разработан электронный измери-
тель влажности ВИМС-1 (рис. 1.2). Созданный прибор сертифицирован и базиру-
ется на ГОСТ 21718 “Материалы строительные. Диэлектрические методы измере-
ния влажности”.
а) Назначение и область применения
Прибор ВИМС-1 предназначен для оперативного неразрушающего кон-
троля влажности широкой номенклатуры строительных материалов, изделий, кон-
струкций и сооружений в процессе их создания и эксплуатации.
Основные виды контролируемых материалов:
г сыпучие (песок, грунт и т.п.);
- твердые (бетон, кирпич, штукатурка, шлакоблок);
- волокнистые (древесина различных видов и материалы на её основе).
Основной областью применения ВИМС-1 являются различные виды
строительного производства и технологий, в которых влажность материалов регла-
ментируется нормативно-технической или технологической документацией.
191
Прибор индицирует: влажность в % по влажной или сухой базе, вид кон-
тролируемого материала, номер, время и дату измерения.
Точность выполнения измерений зависит от качества поверхности контро-
лируемых материалов, их однородности, степени уплотнения сыпучих материалов.
Прибор имеет три типа датчиков:
- планарный для контроля влажности три одностороннем доступе;
- емкостной (планарный с цилиндрической насадкой) для сыпучих мате-
риалов;
- угловой датчик с повышенной глубиной контроля материала, рекомен-
дуемый для объектов с двухсторонним (угловым) доступом.
Р абочие условия эксплуатации: диапазон температур - О...+4О°С, относи-
тельная влажность воздуха до 60 %, атмосферное давление - 86... 106 кПа.
б ) Основные технические характеристики
1. Диапазон измерения влажности по влажной базе, %
1.1. Бетон 0 + 20
1.2. Кирпич 0 + 25
1.3. Песок 1 + 30
1.4. Древесина 2-5-60
1.5. Другие материалы 0+100
2. Предел допускаемой основной абсолютной погрешности, %
2.1. В диапазоне 0... 10% 0,5
2.2. В диапазоне 10...20% 1,0
2.3. В диапазоне 21.. .40% 2,0
2.4. Свыше 40% - не нормируется
3. Дополнительная погрешность при отклонении температу-
ры от 25°С, %/град 0,1
4. Долговременная память, количество измерений 1000
5. Оптоинтерфейс RS 232
6. Переключаемая база измерений влажная/сухая
7. Питание от 2 аккумуляторных батарей или
элементов типоразмера АА емкостью 1200 м А/час
8. Потребляемый ток, мА:
- без подсветки дисплея 30
- с включенной подвеской 130
9. Габаритные размеры, мм
- прибора 145*70x25
-датчика 0110*50
10. Масса, г
- прибора 160
- датчика 340
в) Подготовка прибора к работе
При подготовке прибора ВИМС-1 к работе необходимо:
- подсоединить к прибору датчик влажности;
- включить питание прибора нажатием клавиши « (’) », при этом на дисплее
должно сначала появиться сообщение о температуре и напряжении питания, а через 2
сек - главное меню. Если информация на приборе отсутствует или индицируется со-
общение о необходимости заряда батареи, следует заменить элементы питания или
осуществить цикл зарядки батареи.
192
Рис. 1.2. Внешний вид электронного измерителя влажности ВИМС-1
г) Порядок работы с прибором
Нажатием клавиши «М» перевести прибор в режим измерения влажности,
при этом дисплей выведет следующую информацию (в зависимости от ориентации
прибора):
материал —► Бетон тяж. N001 номер измерения
W=0,3%
время —► 11:23 27.03. -я—дата
Установить планарный или угловой датчик на материал или изделие и,
если требуется, сканировать поверхность изделия - при этом значение влажности
будет меняться в соответствии с изменением фактической влажности. Поверхность
контролируемого материала должна быть ровной и чистой, не иметь глубоких вмя-
тин и выступов.
Загрузить сыпучий материал в емкостной датчик и трамбовать его до по-
лучения желаемой плотности или до момента стабилизации показаний прибора,
когда дальнейшее уплотнение не вызывает рост показаний более чем на 0.1...0.2%.
Объем загружаемого материала должен составлять 80... 90% емкости датчика.
Для фиксации какого-либо результата нажать клавишу «М»:
- если прибор работает в режиме единичных измерений - результат зафик-
сируется в памяти и на дисплее появится очередной номер;
- если прибор работает в режиме усреднения, то необходимо последова-
тельно нажать клавишу «М» три раза, при этом будут появляться (после каждого
нажатия) результаты Wb W2, W3, а после четвертого нажатия на 2 секунды появится
среднее значение W и прибор перейдет на индикацию очередного номера измере-
ния.
7- 14
193
д) Использование памяти
Прибор оснащен памятью для долговременного хранения 1000 результатов
измерения. Измеренные значения заносятся в память подряд, начиная с 1 -го номера
для каждой даты календаря. Когда память прибора заполняется полностью, самые
старые результаты удаляются автоматически, а их место занимают новые результа-
ты. Прибор при этом работает всегда с полностью занятой памятью, обеспечивая
запись всех новых результатов.
Для передачи информации на компьютер необходимо включить компью-
тер, вызвать программу связи прибора с компьютером. Установить прибор так, что-
бы его окошко инфракрасного канала связи было расположено напротив аналогич-
ного окошка блока связи с компьютером на расстоянии 20...30 мм. Необходимо при
этом исключить попадание яркого света на фотоэлементы, для этого желательно за-
крыть пространство над прибором и блоком плотной бумагой.
Для работы с влагомером требуется компьютер с процессором 386ДХ с
памятью 4 Мбайт. Винчестер - 5 Мбайт свободного пространства. Дисковод - 3,5
дюйма и операционная система MS Windows 3.11.
е) Метрологическая аттестация прибора
Прибор ВИМС - 1 перед выпуском в обращение подвергается первичной
калибровке на эталонах влажности некоторых материалов.
Положительные результаты первичной калибровки оформляются в виде
свидетельства о калибровке.
Периодичность калибровки или поверки - 1 год.
5. Приборы для измерения температуры окружающей среды
и материала строительных конструкций
В ходе испытания любой строительной конструкции необходимо в обяза-
тельном порядке знать информацию об изменении температуры окружающей среды
и самой испытываемой конструкции, так как изменение температуры оказывает
большое влияние и на напряженно-деформированное состояние конструкции, и на
достоверность показаний всех использованных в испытании приборов.
В настоящее время НПО “Карат” создан прибор нового поколения - реги-
стратор температуры во времени РТВ-1. Прибор работает совместно с компью-
тером через ситоволокнистый интерфейс.
Основные технические характеристики прибора РТВ-1
1. Диапазон измерений температуры. °C
2. Разрешающая способность, °C
3. Точность измерения, °C
4. Программная коррекция температуры,
5. Количество запоминаемых отсчетов
6. Период регистрации отсчетов, мин
7. Время хранения информации
8. Программирование режимов
и просмотр результатов
9. Интерфейс связи с ПК
10. Питание
11. Продолжительность работы без
замены батареи, не менее, лет
-40...+85
0,5
±2
°C ±5
2048
1.... 255
не ограничено
с применением ПК
RS-232
встроенная литиевая батарея
194
а) Назначение и область применения
Прибор «РТВ-1» предназначен для регистрации температуры во времени
на мобильных и труднодоступных объектах с последующей обработкой информа-
ции на ПК типа Pentium II.
Прибор может использоваться в ходе статических испытаний строительных
конструкций, зданий и сооружений, а также для контроля тепловых процессов на
предприятиях стройиндустрии. Одновременно прибор может быть использован в
качестве удаленного датчика температуры на экране ПК.
б) Порядок работы с прибором
Подключить в любой последовательности прибор к устройству сопряже-
ния с ПК, а устройство сопряжения - к ПК типа Pentium. При помощи управляющей
программы произвести установку текущего времени по часам ПК, установить пара-
метры записи процесса и условия запуска. Отключить прибор от устройства сопря-
жения.
Запустить процесс записи результатов, завинтить герметизирующую
крышку и установить регистратор в нужное место. Принять меры по защите прибо-
ра от внешних воздействий - ударов, грязи, дождя и т.п.
По окончании процесса регистрации протереть корпус прибора, отвинтить
защитную крышку от корпуса и подключить прибор к устройству сопряжения с
ПК, а устройство сопряжения - к ПК типа Pentium.
При помощи управляющей программы просмотреть результаты регист-
рации, при необходимости сохранить их на диске ПК или распечатать в текстовом
или графическом виде. Для запуска управляющей программы на ПК типа Pentium
нажмите кнопку «Пуск», выберите в появившемся меню пункт «Программы», затем
«Registrars». При правильно подключенных устройстве сопряжения и регистраторе
появится главное окно программы.
Для программирования условий запуска процесса регистрации нужно вы-
брать пункт меню « Регистратор» и подпункт «Программирование начала записи».
Появится дополнительное окошко, в котором необходимо выбрать способ запуска,
период отсчетов при регистрации и, при необходимости, задержку в минутах от мо-
мента запуска до момента записи первого отсчета. Необходимо иметь в виду, что
нельзя вводить период отсчетов, равный 0, т.к. при этом процесс регистрации не за-
пустится.
Если при выполнении команды регистратор находится в режиме реги-
страции температуры или память регистратора содержит информацию о предыдущем
процессе регистрации, управляющая программа предупредит об этом пользователя,
т.к. при установке параметров запуска процесс записи будет прерван, а память очище-
на.
При необходимости остановки процесса регистрации или очистки нахо-
дящихся в памяти результатов, нужно выбрать соответствующий подпункт пункта
меню «Регистратор» и подтвердить действие в появившемся диалоговом меню.
Для передачи накопленных данных в любую программу Windows 95/98
можно воспользоваться стандартным буфером обмена. Для этого в меню «файл»
нужно выбрать пункт «Копирование отсчета в буфер обмена». После копирования в
буфер данные станут доступными для любой Windows-программы.
В различных полях главного окна программы выводится информация:
- об имени регистратора, подключенного в данный момент;
- о состоянии управляющей программы;
- о текущем времени и дате, как они установлены в подключенном регистраторе;
195
7*
- о текущей температуре регистратора (при остановленном процессе) или о темпера-
туре регистратора в момент записи последнего отсчета идущего процесса;
- о величине программной коррекции температуры;
- о периоде отсчетов идущего или планируемого процесса регистрации температу-
ры;
- о времени старта и количестве (времени) уже запомненных отсчетов температуры;
- о запомненных отсчетах темпера 1уры.
в) Калибровка прибора
1. Калибровку прибора РТВ-1 проводит ведомственная метрологическая
служба потребителя, имеющая право калибровки. Требования к калибровке, поря-
док, основные этапы проведения определяются ГОСТ 8.042-83 и методикой для
данного прибора.
2. Методика калибровки поставляется по требованию Заказчика.
3. Межповерочный интервал - 2 года.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Изучить устройство приборов для статических испытаний и принцип их
работы, научиться снимать отсчеты по приборам.
2. Изучить устройство электронного влагомера и регистратора температур и
элементов сопряжения приборов с ПК “Пентиум - II”. Научиться измерять влажность и
температуру испытываемых строительных конструкций и окружающей среды в ручном
и автоматическом режимах.
Установить приборы для измерения прогибов, перемещений, осадок и уг-
лов поворота и фибровых деформаций на консольную балку стенда.
3. Проверить правильность установки приборов.
4. Снять нулевые отсчеты Со при отсутствии нагрузки.
5. Загрузить балку отдельными ступенями путем установки грузов на под-
веску балки. Снять отсчеты Ch С2, С3 с приборов на каждой ступени загружения.
Запись отсчетов вести при этом табличным способом.
6. Вычислить деформации е, и перемещения д£, для каждого прибора как
разность нулевого и последующих отсчетов.
7. Для механических тензометров по значениям Л7.; определить относи-
тельные деформации е, и, используя формулу, можно определить эксперименталь-
ное значение нормальных напряжений в материале балки.
8. В местах установки тензометров и прогибомеров определить теоретиче-
ские значения напряжений и прогибов соответственно по формулам:
п_м_. м-р.,- f-LlL. j bh'
W 6 3EJ 12
где Р - нагрузка в кН;
L - расстояние от точки приложения нагрузки до исследуемого сечения, см;
b - ширина сечения рабочей балки, см;
h - высота сечения балки, см.
9. Выполнить сравнение и анализ теоретического и экспериментального
материала.
10. Повысить температуру и изменить влажность окружающей среды пу-
тем использования масляных нагревателей в помещении лаборатории на несколько
градусов. Снять отсчеты с электронного влагомера и регистратора температур.
196
11. Оценить погрешности, возникающие в изучаемых приборах при повы-
шении температуры и влажности без изменения напряженно-деформированного
состояния исследуемой строительной конструкции.
12. Выполнить анализ полученного экспериментального материала и сде-
лать основные выводы по работе.
Лабораторная работа 2
ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ
ФИБРОВЫХ ДЕФОРМАЦИЙ В КОНСТРУКЦИЯХ
И ТАРИРОВОЧНЫЕ РАБОТЫ
Цель работы: 1. Практическое знакомство с первичной и вторичной аппа-
ратурой, используемой в тензорезисторном методе исследования напряженно-
деформированного состояния строительных конструкций.
2. Изучение методики тарировки первичных преобразователей - тензоре-
зисторов.
3. Ознакомление с методикой тарировки всей тензометрической системы
измерения.
Оборудование: стальная консольная балка переменного сечения, индика-
тор часового типа, гири, тензорезисторы, мост постоянного тока МО-62, электрон-
ный тензометрический измеритель деформаций ИДЭ-2 с интерфейсом RS-232 и ПК
“Пентиум П”.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
В настоящее время при испытании строительных конструкций зданий и
сооружений наряду с механическими контрольно-измерительными приборами ши-
роко применяются и электрические. В этом случае неэлектрические величины, на-
пример, деформация волокон материала конструкции Де, давление Др, частота ко-
лебаний скорость колебаний v и т.п. измеряются электрическими методами.
При измерении неэлектрических величин электрическими методами изме-
ряемые величины преобразуются специальными устройствами, называемыми пре-
образователями, в электрические величины, которые можно регистрировать на лю-
бом расстоянии от испытываемого объекта. Дистанционное измерение неэлектри-
ческих величин позволяет проводить исследование строительных конструкций
вплоть до их разрушения, не подвергая опасности самих экспериментаторов. При-
менение электрических методов для измерения неэлектрических величин благодаря
высокой чувствительности и очень малой инерционности существующих измери-
тельных устройств позволяет резко повысить точность и скорость измерения не-
электрических величин.
1. Преобразователи
Все преобразователи можно разделить на две группы: активные (гене-
раторные) и пассивные (параметрические). Из большой группы пассивных преобра-
зователей в данной работе будем рассматривать только тензорезисторные. Преобра-
зователи, у которых при изменении измеряемых неэлектрических величин меняется
197
электрический параметр - сопротивление, называются резистивными. Наиболее
часто при экспериментальных исследованиях строительных конструкций при-
меняют проволочные, фольговые и полупроводниковые резисторы. Тензорези-
стор, показанный на рис. 2.1, представляет собой несколько петель тонкой (0,015-
Рис 2.1. Проволочный тензорезистор
К концам проволоки сваркой или пайкой присоединены провода. Длина
петли / называется базой тензорезистора. Проволочные петлевые тензорезисторы
изготавливаются с базой 5-50 мм и активным сопротивлением 50-400 Ом.
Все существующие в настоящее время тензорезисторы можно условно
классифицировать по следующим признакам:
по конструкции - проволочные, фольговые и полупроводниковые;
по типу основы - с бумажной, пленочной и без основы;
по типу решеток - с поперечной и без поперечной чувствительности;
по назначению - для статических и статико-динамических испытаний, для
измерения деформаций внутри конструкции, для кратковременных и длительных
испытаний;
по влагостойкости - влагостойкие и невлагостойкие.
Все выпускаемые промышленностью тензорезисторы маркируются сле-
дующим образом. Буквами обозначается тип тензорезистора, а цифрами - его ха-
рактеристики. Первая буква свидетельствует о проволочной (II) или фольговой (Ф)
решетке, вторая указывает на материал решетки (К - константан), третья указывает
вид основы (Б - бумажная, П - пленочная) для проволочных тензорезисторов, а для
фольговых - конструкцию решетки (П - прямоугольная, Р - розеточная), четвертая
буква (только для фольговых) отражает конструктивные особенности решетки. Пер-
вая цифра указывает размер базы тензорезистора в мм, вторая - номинальное сопро-
тивление в Ом. После ставится буква, отражающая температуру режима наклейки
тензорезистора (X - не более 30° С, Г-не более 180° С). Например, ПК 6-20-150Х
(Г) - тензорезистор проволочный, из константана, на бумажной основе, с базой 20
мм, номинальным сопротивлением 150 Ом, наклейка при температуре не выше
+180° С.
2. Измерительные схемы
Измерительные схемы являются входной частью электрической цепи из-
мерительных и регистрирующих приборов. Наиболее распространенными измери-
тельными схемами являются компенсационные, дифференциальные и мостовые.
Мостовые измерительные схемы (мост Уитстона) являются наиболее распростра-
ненными для измерения относительно малых электрических величин. Они обладают
широким свойством универсальности и позволяют определять изменение активного
198
сопротивления R, индуктивности L, емкости С, частоты f и других электрических
параметров первичных преобразователей, по которым можно судить об изменении
неэлектрических величин.
3. Вторичная регистрирующая и измерительная аппаратура
При испытаниях строительных материалов и конструкций изменение вы-
ходных электрических величин преобразователей, как правило, происходит на отно-
сительно малые значения, измерить которые, например, гальванометрами трудно, а
в большинстве случаев и невозможно. Поэтому измерение и регистрация изменяю-
щихся электрических величин на практике осуществляется специальными усили-
тельными, измерительными и регистрирующими устройствами. Последние при этом
состоят из нескольких функционально законченных узлов: преобразователей, изме-
рительных схем, коммутирующих устройств, специального источника питания, од-
ного или группы усилителей, измерительного и регистрирующего устройства.
К настоящему время разработано большое количество отечественных из-
мерительных и регистрирующих тензосистсм. К ним можно отнести системы сле-
дующих марок: ИДЦ, АИД, ЦТМ, ИЖЦ, К-200, а также H-I02 и Н-700 и др. Первые
предназначены для регистрации статических и медленно протекающих во времени
процессов. Вторые используются для изучения динамических процессов.
К автоматизированным измерительным комплексам относятся тензомет-
рический комплекс ТК-2 и быстродействующая многоканальная система К-732.
Комплекс ТК-2 позволяет выполнять последовательный опрос тензорезисторов,
измерение и регистрацию показаний в цифровой табличной форме и на перфоленте.
Максимальное число каналов - 396. Система К-732 производит сбор информации в
цифровой форме, которая может быть передана на ЭВМ для обработки.
В настоящее время НТЦ “Владис” при Московском государственном ин-
женерно-физическом университете разработал многоканальный электронный тен-
зометрический измеритель фибровых деформаций, имеющий разрешающую спо-
собность 2x1 О*6 и оснащенный интерфейсом PS-232, который позволяет эффективно
совместить работу данной тензометрической станции с ПК “Пентиум И”. Последнее
позволяет резко расширить область использования разработанной тензосистемы и
ее возможности в плане хранения и статистической обработки полученной инфор-
мации.
Наличие оперативной и долгосрочной памяти позволяет выполнять любые
долгосрочные исследования работы строительных конструкций по заданной про-
грамме. Кроме отмеченного, созданная тензосистема позволяет на практике полно-
стью автоматизировать процесс испытания любой строительной конструкции, либо
отдельного здания или сооружения. Представленная система успешно используется
в Балаковском институте техники, технологии и управления при изучении настоя-
щего курса и выполнении лабораторных работ.
4. Тарировка первичных преобразователей
До начала практического использования тензосистсм необходимо обяза-
тельное выполнение определенного объема работ, направленных на их тарировку.
Тарировка первичных преобразователей (тензорезисторов) заключается в определе-
нии коэффициента тензочувствительности партии тензорезисторов:
5 Д/? (2.1)
&L/Lg Rqc'
199
где AR - приращение сопротивления тензорезистора;
Ro - начальное сопротивление тензорезистора;
е - AL/Lq - относительная деформация тензосопротивления.
Коэффициент тензочувствительности проволочных тензорезисторов
(5=1,8...2,2) определяется, в основном, материалом тензонити. Однако он зависит
также от конструкции тензорезисторов, материала подложки, свойств клея, прикре-
пляющего тснзорезистор к исследуемой конструкции. Для изготовления проволоч-
ных тензорезисторов используются преимущественно сплавы меди и никеля (кон-
стантан, элинвар, эдванс), характеризующиеся сравнительно высоким коэффициен-
том тензочувствительности.
Для оценки степени доверия, предъявляемого к результатам тарировки
тензорезисторов, определяется среднее квадратичное отклонение коэффициента
тензочувствительности:
'(^ 4- . ,+^) + 1 (S, 4- S;+.. ,+Sn )2 ,
п - 1
(2.2)
где S|, S2, ...Sn - тензочувствительности n-го количества тензорезисторов.
Индивидуальное испытание тензорезисторов из-за однократного их ис-
пользования невозможно, поэтому испытывают из партии 5-10% тензорезисторов, а
результаты распространяются на всю партию.
При определении коэффициента тензочувствительности тензорезистора
его необходимо деформировать на известную величину Ас и одновременно изме-
рить приращение активного сопротивления AR датчика. Деформация тензорезисто-
ра осуществляется при этом градуировочной (тарировочной) балкой, на которой он
наклеен, а измерение приращения сопротивления - мостом сопротивлений.
5. Тарировка всей тензометрической системы
Шкалы тензометрических установок градуируются на заводах-
изготовителях в относительных единицах деформаций. Обычно цена одного деле-
ния шкалы соответствует 110’5 единиц относительной деформации. Однако при
отсутствии сведений о величине коэффициента тензочувствительности партии тен-
зорезисторов или несовпадении значений тензочувствительности преобразователя и
масштаба установки цена деления шкалы последней будет иной. Поэтому возникает
необходимость определения цены одного деления или поправочного коэффициента
к цене деления, или приведения регулятором масштаба цены деления к номиналь-
ной.
Для определения цены деления градуировочная балка загружается и раз-
гружается равными ступенями нагрузки (АР). На каждой ступени приложения на-
грузки осуществляется балансировка моста установки, снимаются отсчеты (с) и
определяются их приращения (Ас).
От приложения нагрузки одной ступени в балке возникает изгибающий
момент (AM), который, в свою очередь, вызывает изменение напряжения в крайних
волокнах на величину Ао=АЛ//Иг и изменение относительной деформации на
Ае=АЛ//1ГЕ‘. Показание тензометрической установки при этом изменяется на вели-
чину Ас. Если сумму приращений напряжений или относительных деформаций по-
делить на сумму приращений показаний установки, то результат и будет выражать
цену деления шкалы установки соответственно в напряжениях или относительных
деформациях:
200
’ = 2> ‘ I Ac'
Для получения цены деления шкалы используемой тензосистемы для всей
партии тензорезисторов необходимо сумму приращений напряжений и относитель-
ных деформаций разделить на среднее значение сумм показаний установки, вычис-
ленное для всех испытуемых тензорезисторов. Приведение цены деления шкалы
тензометрической установки к номинальной, равной 1Ю’5 единиц относительных
деформаций, выполняется в установках с регулируемой чувствительностью моста.
Последовательным изменением регуляторами масштаба чувствительности моста
нужно добиться равенства показания тензометрической установки с сообщенной
тензорезистору относительной деформацией.
Возможны и другие приемы приведения цены деления установок к номи-
нальным значениям. Они излагаются в инструкциях к тензометрическим установ-
кам.
6. Описание тарировочных балок
На практике существует несколько типов тарировочных балок. Наиболее
широко распространены тарировочные балки равного сечения (рис. 2.2) и балки
равного сопротивления (рис.2.3).
В первом случае относительная деформация внешних крайних волокон
балки определяется по формуле:
где f - прогиб балки, h- толщина балки, Lo - длина рабочей зоны балки.
Во втором случае вышеприведенная формула имеет вид:
3 h . (2.5)
е - f----г
2 £02
Прогиб балки f определяется из эксперимента индикатором часового типа
(табл. 2.1).
Рис. 2.2. Схема балки равного сечения
201
Использование тарировочных балок вышеприведенной конструкции дает
возможность задавать относительные деформации Де и напряжения До, которые
зависят только лишь от величины внешней нагрузки. Все это позволяет выполнять
практическое определение коэффициента тензочувствительности S, и тарировочных
коэффициентов всей системы измерения соответственно по деформациям Ке и по
напряжениям Ко.
Рис. 23. Схема балки равного сопротивления
В настоящей работе применена тарировочная балка, выполненная конст-
руктивно по схеме балки равного сопротивления.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Определение коэффициента тензочувствительности тензодатчиков
1. Ознакомиться с испытательным стендом, включающим тарировочную
балку, индикатор часового типа, набор грузов и мост постоянного тока;
2. Включить мост постоянного тока и, убедившись в его работоспособно-
сти, снять начальные отсчеты с моста Р и индикатора часового типа;
3. Загрузить тарировочную балку различными ступенями нагрузки и на
каждой ступени также снять отсчеты с моста постоянного тока и индикатора с це-
лью измерения приращения сопротивления тензодатчиков Р и прогиба балки. Полу-
ченные экспериментальные результаты занести в таблицу 2.1.
4. Разгрузить балку в той же последовательности и на каждой ступени
снять отсчеты с указанных приборов с целью проверки ранее полученных экспери-
ментальных результатов и выявления процессов релаксации в клеевом слое тензо-
датчиков;
5. Определить экспериментальные значения относительной деформации
балки при ее поэтапном загружении внешней нагрузкой.
6. Используя экспериментальные значения приращения относительного
сопротивления тензодатчиков и относительной фибровой деформации материала
тарировочной балки, определить коэффициент тензочуствительности поверяемых
тензосопротивлений.
202
Тарировка всей тензометрической системы измерения
I. Ознакомиться с испытательным стендом, включающем тарировочную
балку, индикатор часового типа, набор грузов и электронный измеритель деформа-
ций ИДЭ-2 с интерфейсом RS-232 и ПК "Пентиум" и комплектом поверяемых в
тензосистеме тензосопротивлений (рис. 2.4).
Рис.2.4. Испытательные стенды:
а - определение коэффициента тензочувствительности тензодатчиков,
б - тарировка всей тензометрической системы;
1 - тарировочная балка; 2 - рабочие тензодатчики; 3 - мост постоянного тока; 4 - ра-
бочий стол; 5 - образцовые гири; 6 - система жесткого крепления балки; 7 - индикатор часо-
вого типа; 8 - штатив; 9 - цифровой тензоусилитель ИДЭ-2; 10 - интерфейс Р; 11 - процессор
ПК модели 486; 12 - монитор компьютера; 13 - компенсационное тензосопротивлснис
2. Включить электронный измеритель деформаций ИДЭ-2 и систему со-
пряжения прибора с ПК "Пентиум" и убедиться в работоспособности всех элемен-
тов, входящих а измерительную систему, одновременно снять начальные отсчеты с
ИДЭ-2 и индикатора часового типа.
3. Загрузить тарировочную балку различными ступенями нагрузки и на
каждой степени снять отсчеты с указанных приборов с целью определения прира-
щения.
4. Разгрузить балку в той же последовательности с целью поверки ранее
полученных результатов и полученные результаты занести в таблицу 2.1.
5. Определить экспериментальные значения относительной деформации
балки и напряжения в материале балки при ее поэтапном загружении внешней на-
грузкой.
6. Определить цену деления рабочей шкалы всей тензосистемы соответст-
венно в относительных деформациях и напряжениях соответственно по формулам:
При градуировке тензорезисторов и тензостанции необходимо занести в
журнал измерений следующие параметры:
- тип тензорезисторов,
- тип тензостанции,
- тип моста сопротивлений,
- чувствительность тензорезисторов,
- чувствительность тензостанции.
203
Таблица 2.1.
Результаты градуировки
№ этапа ДР, кгс До кгс „2 Ас 1 10 s Показания моста сопротивлений или тензостан- ции
тензорезистор № тензорезистор Ks
растяжение сжатие
с Де с Ас
П эи загружении
0
1
2
3
4
5
При разгружении
0 —
2
3
4
5
__г_
£(ДД/Д) . s?= scp =
; = ^Ag «<2 = Ксср =
' -£Аст. х»>= Крср =
‘”'2>
Лабораторная работа 3
ОБСЛЕДОВАНИЕ И ИСПЫТАНИЕ МОДЕЛИ СТАЛЬНОЙ БАЛКИ
Цель работы: Ознакомиться с методикой обследования, перерасчета, ис-
пытания, обработки и анализом результатов испытания модели стальной балки.
Оборудование: электронный тензометрический измеритель деформаций
ИДЭ-2 с интерфейсом RS-232 и ПК “Пентиум П”, тензодатчики, стальная балка,
индикатор часового типа, гири, испытательный стенд.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
1. Описание испытательного стенда
Обследованию и испытанию подвергается стальная балка пролетом 1280
мм, выполненная из прутка диаметром 12 мм.
204
Схема балки представлена на рис. 3.1. Загружение балки осуществляется
грузами. Величина прогиба измеряется с помощью индикатора часового типа, а
деформации - тензодатчиками (тензорезисторами).
Опорные элементы балки выполнены в виде шарнирных узлов. Де-
формации балки при ее загружении регистрируются электронным тензометриче-
ским измерителем деформаций ИДЭ-2 с интерфейсом RS-232 и ПК “Пентиум П”.
2. Обследование модели балки
Перед проведением испытаний необходимо детально визуально обследо-
вать модель, а в случае необходимости произвести инструментальное обследование.
В задачи визуального обследования должны входить следующие опера-
ции:
- проверка соответствия общих геометрических размеров конструкции исходным
(проектным) данным;
- установление соответствия сортамента исходным (проектным) данным;
- первичная оценка соответствия расчетной схемы балки фактической се конст-
рукции, а также ее граничным условиям;
- выявление наличия дефектов.
В задачи инструментального обследования конструкций входят:
- установление фактической марки металла, применяемого в обследуемой балке;
- выявление с помощью методов неразрушающей дефектоскопии скрытых от
визуального обследования дефектов в балке;
- определение фактического диаметра балки.
Результаты проведенных обследований следует оформить в виде отдель-
ных эскизов, таблиц и рисунков.
3. Перерасчет балки по результатам обследования
До начала испытания модели выполняют приблизительную оценку ее не-
сущей способности по 1-й и 2-й группе предельных состояний. При этом использу-
ют фактические геометрические и прочностные характеристики модели балки.
а) Расчет по первой группе предельных состояний
1) Вычисляется момент сопротивления поперечного сечения балки:
ndi 1
W.. = — « 0,Id3.
32
2) Определяется изгибающий момент на расстояниях от опоры
PL PL
a.=L/2: М =—; a2=L/4: М
' 4 2 8
3) Находятся напряжения в исследуемых сечениях балки:
М
Расчет по второй группе предельных состояний
1) Вычисляется момент инерции поперечного сечения балки:
nd4 Л
J. = ——^0.05d.
64
205
2) Определяется прогиб в середине пролета балки (при L/2):
PL*
J ~ 48 EJ.
3) Находится относительный прогиб и сравнивается с предельно допустимым:
— <, — S — = 0.004.
L [Z,J 250
Все результаты расчета сводятся в табл.3.1 и 3.2.
Выполнив теоретическую оценку несущей способности балки, следует
сделать вывод о необходимости испытания исследуемой балки.
Рис. 3.1. Испытание модели стальной балки
а - испытательный стенд, б - расчетная схема балки;
1,2,3,4, 5,6 - тензорезисторы, 7 - индикатор часового типа, 8 - грузы
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Ознакомиться с устройством стенда и работой приборов.
2. Выполнить обследование модели балки с регистрацией полученной ин-
формации.
3. Рассчитать модель балки по первой и второй группам предельных со-
стояний и результаты счета оформить в табл.3.1 и 3.2.
4. Оснастить модель балки приборами.
5. Пригрузить балку “нулевой” нагрузкой, снять отсчеты с приборов и
записать их в табл. 3.3.
206
6. Приложить к середине балки первую ступень нагрузки и снять отсчеты.
7. Аналогично п.6 приложить вторую и третью, четвертую ступени нагруз-
ки, снимая при этом отсчеты по приборам (табл.3.3).
Дсг = Ке Е ДС,
где Ке - тарировочный коэффициент
8. Определить значения экспериментальных напряжений в сечениях L/2 и
L/4 и сравнить их с теоретическими расчетами (табл.3.4).
9. Построить теоретические и экспериментальные кривые зависимости
“нагрузка-напряжение”, “нагрузка-прогиб”.
10. Вычислить значения конструктивных поправок к теоретическим расче-
там балки и сделать вывод по работе.
Таблица 3.1
Перерасчет по 1 группе предельных состояний
Расчетные параметры Величина нагрузки, кг
Pi= Р2= Рэ= Рд=
Wht, см3
М174, кг - см
Ми2, кг • см
OW, кг/см2
Оц2, КГ/СМ2
Таблица 3.2
Перерасчет по И группе предельных состояний
Расчетные параметры Величина нагрузки, кг
Р.= Р2= Рз= Р4=
Jht, см4
Af, см
Af/L
Необходимо указать, при каком значении нагрузки относительный прогиб превыша-
ет допустимый.
Таблица 3.3
Результаты эксперимента
№ тензоре- зистора Нач. от- счет Ступени загружения, кг
Pi = Р2 = Рз = Рд =
Со С, AC, До, дс2 До2 с3 ДС3 До3 с4 АСд Дсц
1
2
3
4
5
6
Начальный отсчет по индикатору fi Afi f2 Дб Af) f. AG
207
Таблица 3.4
Сравнительный анализ экспериментальных и теоретических напряжений
№ тсн- 30- ре- зис- то- ра Me- сто уста- новки тен- зоре- зисто- ров Ступени загружения, кг
Р.= Р2 = Рз =
Напряжения По- пра в-ка к. Напряжения По- пра в-ка к2 Напряжения По- пра вка Кз
экспер. тео Р экспер. тео Р экспер. тео Р
До5 । До’|ср До’ । До’ 2 До’зср Дот 2 До5 3 До Jcp До1 3
1 2 3 4
5 6
Лабораторная работа 4
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ТОЛЩИНЫ ЗАЩИТНОГО СЛОЯ И ДИАМЕТРА АРМАТУРЫ
Цель работы', изучить и освоить электромагнитный метод определения
места нахождения арматуры и толщины защитного слоя в железобетонных конст-
рукциях.
Оборудование*, электромагнитный прибор ИЗС-1, измеритель защитного
слоя бетона ПОИСК-2.3, электронный измеритель защитного слоя бетона ИПА-
МГ4, штангенциркуль, железобетонные образцы размерами 15x15x60 см, армиро-
ванные гладкой арматурой диаметром 6 мм или 8 мм, компьютер и программа свя-
зи прибора ПОИСК -2.3 с компьютером.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Величина защитного слоя бетона "а" определяет положение арматуры в
поперечных сечениях элементов, которая учитывается в расчетах (рис.4.1). Во время
изготовления железобетонной конструкции возможно смещение арматуры в сече-
нии, а следовательно, и изменения величины защитного слоя бетона по сравнению с
проектной. Если уменьшена величина защитного слоя, то ухудшается коррозионная
стойкость и снижается срок службы конструкции (особенно при работе ее на изгиб).
Рис.4.1. Конструктивная схема балки
Определение толщины защитного слоя бетона и диаметра арматуры необ-
ходимо в следующих случаях:
208
- при освидетельствовании состояния железобетонных конструкций;
- при испытании и усилении конструкций;
- при контроле качества изготовленной конструкции;
- при установке приборов на арматуру.
В настоящее время измерение защитного слоя и диаметра арматуры в же-
лезобетонных конструкциях можно осуществить без разрушения бетона электро-
магнитным, магнитным, радиографическим или рентгенографическим методом.
Электромагнитный метод, на изучении которого мы и остановимся в на-
стоящей работе, основан на принципе взаимодействия поля с металлом. На этом
принципе разработаны приборы марки ИЗС-1, ПОИСК-2.3 (измеритель защитного
слоя). ИПА-МГ4 (измеритель толщины защитного слоя бетона).
1. Электронный прибор ИЗС-1
а) Устройство и работа прибора
Электромагнитный прибор ИЗС-1, используемый в работе, позволяет оп-
ределять толщину защитного слоя бетона в диапазоне от 0 до 150 мм. При диаметре
арматуры 5...40 мм можно определить расположение арматурных стержней и диа-
метр арматуры при минимальном шаге 100 мм.
Прибор (рис.4.2) состоит из двух идентичных индукционных датчиков 1,2
трансформаторного типа, усилителя 3, индикатора с детектором 5, двухтактного
генератора 4 и блока питания 6. Обмотка датчиков 1 (внутреннего-
компенсационного) и 2 (внешнего-рабочего) включены встречно в мост Уитсто-
на, обеспечивает высокую чувствительность прибора при разбалансе рассматри-
ваемой системы в случае приближения рабочей арматуры к внешнему датчику.
При этом любое самое крайнее положение стрелки индикатора при движении сё
справа налево означает, что под датчиком находится максимальное скопление ме-
талла.
Рис. 4.2. Структурная схема прибора ИЗС-1
б) Определение расположения арматуры, точек пересечения
арматуры в каркасе и толщины защитного слоя бетона
Если диаметр арматуры в конструкции известен заранее, то на индикаторе
прибора необходимо подобрать соответствующую шкалу. Передвигая датчик по
поверхности исследуемой конструкции, следует получить на шкале индикатора
наименьший отсчет, свидетельствующий о расположении арматуры непосредствен-
но под датчиком и о её направлении расположения. Одновременно на шкале, соот-
ветствующей диаметру арматуры, следует считать значение толщины защитного
слоя в мм. Аналогично, ориентируя датчик в перпендикулярном направлении, мож-
209
8-14
но выявить и точку пересечения рабочей арматуры в каркасе. На рис. 4.3 показаны
схемы положения датчиков относительно арматурных стержней.
Рис.4.3. Схемы показаний гальванометров в зависимости от
положения датчика относительно арматуры
в) Определение диаметра арматуры и глубины её заложения
В случае полного отсутствия каких-либо предварительных данных обсле-
дования конструкции следует начинать с выявления расположения рабочей армату-
ры в последней, добиваясь получения на шкале прибора наименьшего показания.
После достижения указанного со всех шкал индикатора необходимо снять отсчеты,
характеризующие мнимые глубины залегания исследуемой арматуры. Затем под
выносной датчик необходимо установить прокладку толщиной 10-15 мм и снова
снять отсчет по всем шкалам. Прибавляя к первым показаниям численное значение
толщины прокладки (в мм) и сравнивая их с отсчетами, полученными при наличии
прокладки, можно выявить шкалу, для которой глубина заложения арматуры совпа-
дает и в первом, и во втором случае, что будет свидетельствовать о выявлении ис-
тинной глубины заложения исследуемой арматуры. Диаметр последней следует
определить также по выделенной шкале.
Оценку точности результатов, полученных с помощью приборов ИЗС-1,
возможно произвести с помощью специального тарировочного стенда или с помо-
щью данных, полученных приборами ПОИСК-2.3 или ИПА-МГ4.
2. Измеритель защитного слоя бетона ПОИСК-23
а) Назначение и область применения
Измеритель защитного слоя бетона ПОИСК-2.3 предназначен для измере-
ния толщины защитного слоя бетона, определения расположения и диаметра арма-
210
туры в диапазоне 3...50 мм класса A-I, A-IV в железобетонных изделиях и конструк-
циях в условиях предприятий, стройплощадок, эксплуатируемых зданий и сооруже-
ний. Информативным параметром прибора являются показания на графическом
дисплее, соответствующие диаметру и толщине защитного слоя бетона в миллимет-
рах, а также тональный звуковой сигнал.
Прибор предназначен для работы в условиях умеренного климата при тем-
пературе окружающей среды от -10° до +40° С и максимальной влажности 90% при
температуре +25° С. Рабочий диапазон защитного слоя 0...150 мм, контролируемые
диаметры 3...5O мм. Питание от элементов аккумуляторов типа АА (3,0/2,5В). Масса
измерителя и датчика 340 г.
Прибор ПОИСК-2.3 выполнен по структуре, приведенной на рис.4.4. При-
бор состоит из индуктивного датчика, функционального преобразователя, дисплея,
блока калибровки, микроконтроллера и клавиатурного блока.
Рис. 4.4. Структурная схема прибора ПОИСК-2.3
б) Принцип работы с прибором
Принцип действия прибора заключается в фиксации изменения комплекс-
ного сопротивления датчика при взаимодействии его электромагнитного поля с
арматурным элементом. Датчик с функциональным преобразователем формируют
аналоговый сигнал, пропорциональный толщине защитного слоя. Этот сигнал вос-
принимается микроконтроллером и преобразуется по заложенному в программу
семейству характеристик в значение толщины защитного слоя бетона.
Блок калибровки предназначен для автоматизированной настройки прибо-
ра, которая запускается нажатием клавиши “С* после предварительного удаления
датчика от ферромагнитных материалов на расстояние не менее 0,5 м. При этом на
дисплее появляется сообщение о калибровке и значение U начинает расти. При дос-
тижении уровня 2,000V калибровка завершается, формируется звуковой импульс, и
прибор автоматически переходит в рабочий режим.
Звуковой поиск осуществляется изменением частоты тонального аудио-
сигнала и позволяет определять ориентацию арматурных стержней без непрерывно-
го наблюдения за индикатором прибора. Поиск арматурных стержней осуществля-
ется сканированием контролируемой поверхности датчиком в сочетании с его пово-
ротом вокруг оси до получения минимально возможного для данного случая пока-
зания толщины защитного слоя. Процесс поиска отображается на дисплее показа-
8*
211
ниями Н и линейным индикатором. С приближением датчика к арматурному эле-
менту тональность аудио-сигнала снижается.
Определение толщины защитного слоя и неизвестного диаметра произво-
дится специальным алгоритмом процессора с использованием 20 мм эталона-
прокладки из органического стекла. При этом первое измерение производится без
прокладки и результат фиксируется, затем выполняется второе измерение с 20 мил-
лиметровой прокладкой и результат выдается на дисплей.
Внешний вид прибора приведен на рис. 4.5. Прибор состоит из электрон-
ного блока с микроконтроллером, размещенного в корпусе, 9-клавишной клавиату-
ры и графического дисплея с подсветкой, расположенных на лицевой панели; дат-
чика, соединяемого с прибором через разъем, расположенный в верхней торцевой
части корпуса. Рядом с разъемом расположено окно инфракрасного канала связи с
компьютером для передачи и последующей обработки полученных результатов
измерений.
Рис. 4.5. Измеритель защитного слоя бетона
Датчик выполнен в виде прямоугольной призмы, на торце которой уста-
новлен ремешок и выведен гибкий соединительный кабель. На чувствительной час-
ти датчика установлены четыре стальных шарика для улучшения скольжения по
контролируемой поверхности. Доступ к элементам питания открывается после сня-
тия крышки батарейного отсека на задней стенке корпуса. На левой боковой стенке
установлен кистевой ремешок для удобства работы с прибором.
в) Программа связи прибора ПОИСК-2.3 с компьютером
Программа предназначена для переноса результатов измерений в компью-
тер, их сохранения, просмотра и выборки из полученного массива, а также печати
отобранных результатов в табличной форме с указанием времени и даты проведения
измерений, значений толщины защитного слоя Н, диаметра арматуры D, вида арма-
туры.
Строки окна программы ПОИСК-2.3 содержат следующие режимы рабо-
ты: проект, Н, D, сканирование.
212
Режим “проект” служит для создания информационного файла об услови-
ях выполнения измерений, объект контроля и т.п.
Режим “Н” - основной вид измерений, по которому в табличной форме
выдается информация по каждому измерению:
Дата Время № D, мм d, мм Н, мм Арматура Группа
Режим “Неизвестный диаметр”: выдается информация о выполненных из-
мерениях с определением неизвестного диаметра.
Режим “Сканирование” предназначен для анализа результатов в цифровой
и графической формах.
Таблица содержит: дату, время, № серии измерений, диаметр арматуры, а
также для каждой серии № измерений (до 12) и результат Н. На графике для каж-
дой серии воспроизводится 12-цветная картина измерений толщины защитного слоя
Н (в диапазоне 0...200 мм).
3. Электронный измеритель толщины защитного слоя бетона ИПА-МГ4
а) Назначение и область применения
Прибор предназначен для оперативного производственного контроля тол-
щины защитного слоя бетона и расположения арматуры в железобетонных конст-
рукциях магнитным методом по ГОСТ 22904-93 (рис.4.6).
Прибор позволяет определить диаметр арматуры по известной толщине
защитного слоя бетона.
Область применения прибора - контроль толщины защитного слоя бетона
и расположения арматуры в железобетонных изделиях и конструкциях на предпри-
ятиях стройиндустрии, в конструкциях эксплуатируемых зданий и сооружений.
Диапазон рабочих температур от минус 10°С до плюс 40°С, относительная
влажность воздуха до 80%, атмосферное давление от 630 до 800 мм рт. ст.
(86... 106,7 кПа).
Прибор соответствует обыкновенному исполнению изделий третьего по-
рядка по ГОСТ 12997-84*, относится к нсстандартизированным средствам измере-
ний и является рабочим средством измерений.
б) Технические характеристики
Прибор обеспечивает измерение толщины защитного слоя бетона и опре-
деление расположения арматуры диаметром от 3 до 25 мм класса A-I ГОСТ 5781-
82* и диаметром от 8 до 40 мм класса А-П1 ГОСТ 5781-82* в железобетонных изде-
лиях и конструкциях при параметрах армирования согласно ГОСТ 22904-93.
Диапазон измерения толщины защитного слоя бетона в зависимости от
диаметра стержней арматуры должен находиться а следующих пределах:
- при диаметре стержней арматуры 3,4, 5, 6, 8 и 10 мм - от 3 до 40 мм;
- при диаметре стержней арматуры 12, 14, 16, 18, 20, 22, 25, 28, 32, 36 и 40
мм - от 5 до 70 мм.
Диапазон определения расположения арматурных стержней:
- диаметрами от 3 до 10 мм при толщине защитного слоя бетона не более
40 мм;
- диаметрами от 12 до 40 мм при толщине защитного слоя бетона не более
70 мм;
213
Предел допускаемой основной погрешности измерения толщины защитно-
го слоя бетона при параметрах армирования:
шаге продольной арматуры 100 мм и более при диаметре арматурных
стержней от 12 до 40 мм - не более
ДЛ^ = ±(0,05 Ах. + 0,5) мм, (4-1)
где AhK - предел допускаемой основной погрешности измерения толщины защит-
ного слоя бетона, мм;
hjc - толщина защитного слоя бетона, мм.
в) Подготовка прибора к работе
Перед началом работы необходимо изучить техническое описание и инст-
рукцию по эксплуатации прибора.
Подключить кабель преобразователя к прибору с помощью соединитель-
ного разъема. Удалить преобразователь от металлических предметов на расстояние
на менее 500 мм и включить питание прибора.
При включении питания на индикаторе прибора высвечивается информа-
ция о готовности прибора к работе:
Очистить память?
Да (+), нет (-)
Нажать клавишу ”+" если результаты измерений, выполненных ранее, не
нужны, либо клавишу если результаты предыдущих измерении необходимо со-
хранить в памяти «Записной книжки». При этом на индикаторе высвечивается ин-
формация: ________________________
Калибровка
СЧК=... Т=...
и прибор автоматически запускает режим настройки (калибровки).
По окончании настройки на индикаторе высвечивается информация о го-
товности прибора к работе в режиме измерения защитного слоя бетона «Ь»:
Замер защ.слоя
кл.АЗ d=12 h=
При других значениях диаметра и класса арматуры необходимо нажатием
клавиши «+» («-») и «класс арматуры» ввести требуемые диаметр и класс.
г) Порядок работы в режиме “защитный слой бетона”
1. Подготовить прибор к работе, для чего подключить преобразователь;
после включения питания, при необходимости, очистить память (или сохранить
ранее полученные результаты); проследить, чтобы преобразователь находился на
расстоянии не менее 500 мм от металлических предметов и после завершения авто-
матической настройки (калибровки) клавишами "d"; *'+" (’’-'*) и ’’класс арматуры"
вывести требуемые диаметр и класс арматуры.
2. Установить преобразователь на поверхность контролируемого изде-
лия и, плавно перемещая его из стороны в сторону и поворачивая вокруг вертикаль-
ной оси, добиться минимальных показаний цифрового кода на индикаторе прибора
(максимальной тональности звукового сигнала), при этом арматурный стержень
214
располагается под продольной осью преобразователя, а на индикаторе высвечивает-
ся информация
Поиск арм. 276
□ООО.....276
минимальное значение
Проверить работоспособность прибора приближением преобразователя к
металлическим предметам, при этом индицируемое прибором значение должно
уменьшаться.
клавиатура
выключатель
питания
индикация результа i а
измерения
соединительное
гнездо
Рис. 4.6. Прибор ИПА-МГ4
«ИИм*
is
Л ИПА-МГ4
преобразователь
соединительная
вилка ,
215
3. По окончании измерения снять преобразователь с изделия, при этом на
индикаторе высвечивается значение измеренного защитного слоя «d» и введенные
ранее значения класса и диаметра арматуры «d».
Замер защ. слоя
кл.АЗ d=14h=23
При необходимости сохранения измеренного значения в памяти - нажать
клавишу «запись».
д) Порядок работы в режиме “определение диаметра арматуры «d»n
1. Подготовить прибор к работе, для чего подключить преобразователь; по-
сле включения питания, при необходимости, очистить память (или сохранить ранее
полученные результаты).
2. Проследить, чтобы преобразователь находился на расстоянии не менее
500мм от металлических предметов и после завершения автоматической настройки
(калибровки) нажатием клавиши ”h" перевести прибор в режим определения диа-
метра арматуры, в результате чего на индикаторе высвечивается следующая инфор-
мация:
Замер диаметра
кл.АЗ d= h=10
Изменение значений защитного слоя "h" и класса арматуры производится со-
ответствующими клавишами.
3. Выполнить измерение. По окончании измерения снять преобразователь с
изделия, на индикаторе при этом высвечивается значение диаметра "d", а также вве-
денные ранее значения класса арматуры и защитного слоя "h"
Замер диаметра
кл.АЗ d=8 h—10
При необходимости сохранения измеренного значения в памяти - нажать
клавишу «запись».
4. Для просмотра записанных в память значений необходимо нажатием
клавиши «чтение» последовательно выводить на индикатор все записанные в па-
мять результаты измерения.
Информация на индикаторе имеет при этом вид
Запись К?! h
кл.АЗ d= 14 h=23
Объем памяти прибора - 32 результата.
е) Порядок работы в режиме “определение оси арматурного стержня”
Определение оси арматурного стержня может производиться в любом ре-
жиме работы прибора независимо от диаметра d или величины защитного слоя h,
введенных в память прибора ранее.
1. Подготовить прибор к работе.
216
2. Установить преобразователь на поверхность бетона и перемещая его из
стороны в сторону, поворачивая вокруг вертикальной оси добиться минимального
значения цифрового кода нижней строки индикатора (максимальной тональности
звукового сигнала), при этом значение цифрового кода нижней строки не меняется
при дальнейшем перемещении преобразователя (прибор запомнил положение пре-
образователя при минимальном защитном слое бетона).
Поиск арм. 216
□ООО-----191
- вид индикатора при фиксации цифрового
кода нижней строки
Затем, обращая внимание на верхнюю строку индикатора, продолжить пе-
ремещение преобразователя до тех пор, пока цифровой код верхней строки не сов-
падет с цифровым кодом нижней строки. При этом ось преобразователя совпадет с
осью арматурного стержня
Поиск арм. 191
□□00....191
- вид индикатора в момент совпадения оси
преобразователя с осью арматурного
стержня
3. Отметить на поверхности бетона положение оси арматурного стержня.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Ознакомиться со структурной схемой, конструкцией и органами управ-
ления приборов ИЗС-1, ПОИСК-2.3, ИПА-МГ4 .
2. Определить расположение арматуры и точек пересечения арматуры в
каркасе железобетонной конструкции.
3. Произвести определение диаметра рабочей арматуры на стенде при из-
вестной толщине защитного слоя.
4. Определить толщину защитного слоя в железобетонной конструкции
при известном диаметре рабочей арматуры.
5. Определить толщину защитного слоя и диаметр рабочей арматуры при
полном отсутствии каких-либо исходных данных (табл.4.1).
6. Оценить точность результатов, получаемых с помощью прибора марки
ИЗС-1 с данными полученными приборами ПОИСК 2.3 и ИПА-МГ4.
7. Выполнить сравнение и анализ полученного материала с формулиров-
кой последующих выводов.
Таблица 4.1
Определение диаметра арматуры и толщины защитного слоя бетона
Диаметр арматуры d, мм Отсчет по вертикальной шкале, Со Толщина доски t Суммарный отсчет Ci = Co+t Отсчет по вертикальной шкале, С2 Д — С2 - С|
16
12
10
8
6
217
Лабораторная работа 5
АКУСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК БЕТОНА
Цель работы: 1. Практическое знакомство с ультразвуковым импульсным
акустическим методом испытания конструкции.
2. Изучение методики определения прочностных и деформационных ха-
рактеристик бетона.
Оборудование: импульсный ультразвуковой прибор УК-10П, универсаль-
ный ультразвуковой прибор ПУЛЬСАР-1.0, программа связи прибора ПУЛЬСАР-
1.0 с компьютером, линейка, бетонные образцы размерами 10 х 10 х 30 см и 15х 15
х 30 см или бетонные кубы со стороной 10 см и 15 см.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
В последние годы наибольшее распространение при испытании строитель-
ных конструкций и материалов находят неразрушающие методы испытаний. С их
помощью проверяется соблюдение стандартов качества используемых материалов,
надежность, прочность и безопасность работы несущих строительных систем в экс-
плуатации.
Из неразрушающих методов испытаний (акустические, механические, ра-
диационные, магнитоэлектрические и др.) широкое распространение получил им-
пульсный ультразвуковой метод. Достоинствами его являются:
- сохранение целостности контролируемой конструкции или изделия;
- возможность многократного повторения испытаний как в процессе
строительства, так и в период эксплуатации;
- сравнительно малые затраты времени для проведения испытаний;
- возможность определять интересующие характеристики в любой доступ-
ной точке.
Импульсный ультразвуковой метод удобен в условиях заводского произ-
водства различного рода изделий и деталей. Так, в процессе тепловлажностной об-
работки можно вести непрерывный контроль нарастания прочности бетона по ско-
рости ультразвука. Импульсный метод позволяет дополнить выборочный контроль
качества бетона по результатам испытания образцов массовой проверкой выпускае-
мой продукции.
Испытания импульсным методом могут быть повторены сколько угодно
раз на одних и тех же изделиях (образцах) без разрушения или повреждения по-
следних и не требуют специальной подготовки. Этим методом можно определять
прочность бетона, модуль упругости бетона, структурные изменения бетона, глуби-
ну трещин в бетоне.
1. Ультразвуковой прибор УК-10П
а) Тарировочные кривые
При организации ультразвукового контроля прочности бетона и железобе-
тонных изделий необходимо предварительно получить так называемые тарировочные
кривые связи скорости прохождения ультразвуковых колебаний через изделие (v) с
характеристикой прочности бетона при сжатии (R^) для рассматриваемого состава
бетона.
218
Для построения тарировочной зависимости Rb=f(V): изготавливают и ис-
пытывают не менее 15 серий образцов по ГОСТом 10180-78. Изменение прочности
бетона в образцах достигают за счет изменения расхода цемента и В/Ц отношения.
Возраст бетона исследуемой конструкции не должен отличаться при этом от возрас-
та образцов, используемых для построения тарировочной кривой более чем на 50%.
Кроме отмеченного, следует помнить, что на зависимость Rb=f(V) оказывают опре-
деленное влияние многие факторы: тип и состав крупного заполнителя, расход це-
мента, вид тепловой обработки, марки цемента, их минералогический состав, тон-
кость помола, содержание различных добавок, влажность бетона, качество акусти-
ческого контакта датчика с бетоном и др. Поэтому во всех случаях достоверность
получения зависимости Rb=f(v) необходимо проверять в соответствии с ГОСТ-ом.
При выполнении настоящей работы рекомендуется пользоваться тарировочной за-
висимостью, приведенной на рис. 5.1, построенной применительно к прибору марки
УК-10П.
4750 . ------------ . у
4500 • - Ч --- - - -i. * + ~ 4
4250;-™ - 7 ^-Т2_Л_
’ 4000 • - ----1----F -- I
М/С 3750 - —-j---------j-- -!
3500 - .....г --
3250 - ---------г-- -I---»---1
3000 • ------- -J— -*
5 10 15 20 25 30 35 40
ИЬ,МПа
• - экспериментальные
точки
▲ - точки эмпирической
линии регрессии
Рис. 5.1. Зависимость прочности бетона при сжатии Rb
от скорости ультразвука V
б) Определение прочности бетона
На практике прочность бетона можно определить ультразвуковым мето-
дом. Испытание состоит в измерении времени распространения ультразвука в бето-
не (t) и базы прозвучивания (Ь). По измеренным величинам определяют скорость (v)
и затем по зависимости Rb=f(V) определяют прочность бетона на сжатие.
Получение ультразвука, ввод его в изделие, прием из изделия и измерение
времени прохождения ультразвука осуществляется специальными приборами УКБ-
1, ДУК-20 и др. В нашем случае используется прибор УК-10П, принцип работы
которого состоит в следующем.
Получив импульс от задающего генератора 1 (рис. 5.2), генератор им-
пульсов 2 посылает электрические импульсы излучателю 3, преобразующему их в
механические колебания ультразвуковой частоты. Последние, проходя через бетон,
достигают приемника ультразвука 4, где снова преобразуются в электрические ко-
лебания, которые после усиления усилителем 5 поступают на электронно-лучевую
трубку 6.
После выполнения всех вышеуказанных измерений скорость распростра-
нения волн в образце можно вычислить по формуле:
v _ b , (5.1)
t ~ to
где V - скорость распространения ультразвука, м/с;
219
b - акустическая база измерения, равная размеру исследуемого элемента в на-
правлении прозвучивания, см;
t - время распространения ультразвука, с;
to -постоянная поправка ультразвукового прибора, определяемая при сомкну-
тых датчиках прибора, с.
Например,
39* 10^ Л
Рис.5.2. Блочная схема прибора УК-10П
1 -1
Одновременно с задающего генератора I электрический импульс посыла-
ется через систему задержки 8 на ждущую развертку 7 электронно-лучевой трубки
6. С помощью задержки 8 можно изменять и задавать промежуток времени от полу-
чения импульса до начала развертки его.
Регулируя величину задержки, можно добиться того, что начало кривой
совпадет со светящейся точкой 9 начала координат развертки. Тогда время, на ко-
торое задан импульс (определяемое по шкале прибора), будет равно времени про-
хождения ультразвука через бетон.
в) Определение динамического и статического модуля упругости бетона
Определив вышеуказанным методом скорость распространения ультразву-
ка в бетоне исследуемой конструкции, динамический модуль упругости бетона (Е)
можно вычислить по следующей формуле:
Е ХЛ (5.2)
А к ’
где V - скорость распространения колебаний, м/с;
р - плотность бетона, определяется по формуле:
у - объёмный вес бетона:
у = 2.4 - 2.5 т/м3 - для тяжелого бетона; .
у = 1.1 - 1.8 т/м3 - для легкого бетона;
g - ускорение силы тяжести, равное 981 см/с2;
220
к - коэффициент, являющийся функцией от значения динамического коэффици-
ента Пуассона (pj исследуемого бетона.
Вид функции к = ЦЦд) определяется массивностью и соотношением гео-
метрических размеров прозвучиваемой среды.
При неограниченной среде
к '-Къ (5-3)
* (1 + //Л)(!-2Лг)’
при среде в виде плиты
к! (5-4)
’ 1-/4’
при среде в виде стержня
k3= I, (5.5)
где Цд- определяется по табл. 5.1 в зависимости от возраста и вида тепловой обра-
ботки.
Таблица 5.1
№ Возраст бетона (суг.) ця для бетона
пропаренного норм, твердения
1. до 7 суток 0.25 0.30
2. от 7 до 20 0.23 0.26
3. от 20 до 28 0.20 0.23
4. от 28 и более 0.20 0.20
Результаты экспериментов показывают, что динамический модуль упруго-
сти бетона (Ед) находится в определенной связи со статическими характеристиками
упругости бетона. В частности, (Ед) связан с модулем упругости (Е) следующими
эмпирическими формулами в зависимости от интервала изменения (Ед):
при изменении Ед
от 20 000 до 50 000 МПа Е = Ед- 8 000 (МПа);
при изменении Ед (5.6)
от 50 000 до 60 000 МПа Е = 6/5 (Ед - 15 000) (МПа).
Последние формулы можно использовать для вычисления статического
модуля упругости бетона.
2. Универсальный ультразвуковой прибор ПУЛЬСАР - 1.0
а) Назначение и область применения
1. В настоящее время широко используется прибор универсальный ультра-
звуковой ПУЛЬСАР-1.0, который предназначен для измерения времени и скорости
распространения ультразвуковых волн в твердых материалах при поверхностном и
сквозном прозвучивании. Прибор позволяет определить прочность, плотность и
модуль упругости по предварительно установленным корреляционным зависимо-
стям, а также ультразвуковой индекс абразивных материалов. Основные виды кон-
тролируемых материалов, заложенные в меню прибора: бетон (тяжелый, легкий),
кирпич (керамический, силикатный), углеграфит и абразивы.
В приборе заложен режим “эхо-локации " для измерения толщины одно-
родных материалов при одностороннем доступе.
Основные области применения:
221
- определение прочности бетона при технологическом контроле, а также при обсле-
довании зданий и сооружений;
- поиск дефектов в бетонных сооружениях по аномальному снижению скорости;
- оценка пористости, трещиноватости и анизотропии композитных материалов;
- определение модуля упругости и плотности.
Конструкция датчика обеспечивает работу прибора с сухим контактом
(титановые наконечники) на фиксированной базе 100 мм, с сухим контактом (тита-
новые наконечники или полиуретановые протекторы) при сквозном, поверхност-
ном и угловом прозвучивании на произвольной базе.
Основные технические характеристики: диапазон измерения времени -
10... 1000 мкс, диапазон измерения скорости - 1000...10000 м/с, предел относительной
погрешности - 1%, фиксированная база измерений - 95... 100 мм, масса прибора -
500г.
б) Устройство и принцип работы
Прибор состоит из электронного блока, размещенного на печатной плате
в корпусе; 9-клавишной клавиатуры и графического дисплея, расположенных на
лицевой панели корпуса; датчика, состоящего из приемника и излучателя, подклю-
чаемого к электронному блоку посредством кабелей через разъемы, установленные
в верхней торцевой части корпуса. Под разъемами расположены элементы инфра-
красного канала связи с компьютером для передачи и обработки информации.
Доступ к аккумуляторам - через крышку батарейного отсека на нижней
стенке корпуса. Нажатие клавиш сопровождается звуковым сигналом.
Прибор предусматривает несколько режимов работы, выбираемых по спо-
собу прозвучивания, видам акустического контакта, материала и измерительной
базы (рис.5.3).
Рис.5.3. Варианты прозвучивания бетонной поверхности
Прибор оснащен памятью для долговременного хранения результатов 200
серий. По каждой серии сохраняется следующая информация:
- среднее значение серии и коэффициент вариации (по скорости ультразву-
ка, прочности, плотности);
222
- до 15 результатов единичных измерений, формирующих серию, данные
по их обработке;
- номер измерений, дата и время получения результата;
- режим измерений, вид материала, величина базы прозвучивания.
Прибор оснащен каналом инфракрасной оптической связи с компьютером.
Для передачи информации с прибора на компьютер необходимо выполнить сле-
дующее. Включить компьютер и вызвать программу ПУЛЬСАР-1.0, подключить к
COM-порту блок сопряжения БЗС-1 и включить его в сеть 220в. Затем установить
прибор и БЗС-1 так, чтобы окна оптического канала связи находились друг против
друга на расстоянии 50 мм. При этом необходимо обеспечить защиту окон от попа-
дания солнечного света и яркого освещения. Включив прибор ПУЛЬСАР-1.0 и оста-
вив его в режиме главного меню, необходимо мышкой нажать клавишу “файл-
считывание” - в окне программы, - на экране появится изображение линейного ин-
дикатора процесса считывания. После завершения сеанса связи (около 1 минуты) на
мониторе появится информация о считанных результатах.
в) Программа связи прибора ПУЛЬСАР-1,0 с компьютером
Программа предназначена для переноса результатов измерений в компью-
тер, их сохранения, просмотра и выборки из полученного массива, а также печати
отобранных результатов в табличной и графической формах с указанием номера,
скорости ультразвука, времени и даты проведения испытаний, вида материала, ко-
эффициента вариации для четырех параметров: прочности, плотности, модуля упру-
гости, ультразвукового индекса, толщины.
Минимально необходимые требования к компьютеру:
- процессор: 386 DX,
- память: 4 Мбайт,
- дисковод 3,5 дюйма,
- операционная система VS Windows 3.1.
В программе имеются окна: проект, прочность, плотность, модуль упруго-
сти, звуковой индекс, толщина. Режим “Прочность” предназначен для работы с дан-
ными, полученными при измерениях прочности материалов:
- в первой таблице сведены полные данные о результатах серий измерений
(дата, время, номер, скорость, прочность, коэффициент вариации, количество изме-
рений в серии, материал, режим, база измерений, размерность);
- во второй таблице - данные о скорости и прочности единичных результа-
тов выбранных курсором серии.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Ознакомиться с принципом работы приборов УК-10П, ПУЛЬСАР-1.0 и
изучить программу связи прибора ПУЛЬСАР-1.0 с компьютером.
2. Измерить размеры, определить вес прозвучиваемых бетонных образцов
и вычислить их объёмный вес.
3. Многократно измерить, а затем определить среднее время прохождения
ультразвука через образец. Обработку результатов производить в табличной форме
(табл. 5.2).
4. Вычислить по формуле (5.1) скорость распространения ультразвука в
образце.
5. Используя значение скорости (V) по тарировочной кривой (рис.5.1),
определить прочность бетона на сжатие.
223
6. По формуле (5.2) определить динамический модуль упругости бетона.
7. Вычислить статический модуль упругости Е по формуле (5.6).
8. Сравнить прочностные характеристики определенные прибором УК-
10П, с компьютерной распечаткой, полученной прибором ПУЛЬСАР-1.0.
9. Выполнить анализ полученного материала с последующим обобщением
и выводами.
Таблица 5.2
Определение прочностных и деформационных характеристик бетона
№ об- разца Размеры образца axhxb, см Кол-во измере- ний, п Измер. время t, мкс Среднее время, с tw = Sl.io-e л Скорость V = —’ см/с о А а Ra ’ МПа Ех МПа Е, МПа
! 1 2 3 4 5
11 1 2 3 4 5
Лабораторная работа 6
МЕХАНИЧЕСКИЕ НЕРАЗРУШАЮЩИЕ МЕТОДЫ
ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТИ БЕТОНА
Цель работы: освоить методику определения прочности бетона в изде-
лиях и сооружениях без их разрушения с помощью механических методов, осно-
ванных на статическом или динамическом воздействии штампов различной фор-
мы на поверхность бетона.
Оборудование: молоток Кашкарова, эталонный стержень, электронный
измеритель прочности бетона ИПС-МГ4, прибор для определения прочности бетона
“ОНИКС-2.3” измерительный угловой масштаб, металлическая линейка, бетонные
кубы с ребром 150 мм и 200 мм, гидравлический пресс.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Достоинства механических методов. Основной механической характе-
ристикой бетона и мерой его прочности является предел прочности при сжатии.
Определение прочности бетона пока ещё в большинстве случаев осуществляется по
результатам классических разрушающих испытаний бетонных образцов на прессах.
Несмотря на то, что данный метод пока ещё наиболее распространенный на практи-
ке, он не позволяет осуществлять надежный контроль прочности бетона из-за ряда
недостатков, связанных:
- с различным нарастанием прочностных свойств бетона в образцах и
строительных конструкциях из-за неодинаковых температурно-влажностных усло-
вий окружающей среды;
224
- с отсутствием возможности определения прочностных свойств бетона в
различных зонах обследуемой конструкции;
- с практической возможностью определения фактической прочности бе-
тона на сжатие при решении вопроса о возможности досрочного нагружения строя-
щегося монолитного сооружения, для пересчета несущей способности эксплуати-
руемых и реконструируемых строительных конструкций и в ряде других случаев.
Всё отмеченное свидетельствует, таким образом, о необходимости широ-
кого использования неразрушающих методов со всеми их положительными
свойствами в определении прочности бетона непосредственно в конструкциях, не
подвергая их разрушению.
Классификация механических методов определения прочности бетона
Все механические методы определения прочности бетона разработаны на
основе существующих методов определения твердости металлов (Н), последняя
величина отражает в известной степени предел прочности при разрушении ме-
талла (R^), т.е. = f(H).
Все методы определения твердости бетона подразделяются на статические
и динамические в зависимости от вида движения внедряемого тела (штампа или
бойка). К статической группе следует отнести приборы, разработанные Г.К. Хай лу-
ковым, А.И. Годером, Р.М.Рачевским, а к динамической группе - приборы, разрабо-
танные Вильямсом, М.Л.Милявским, Б.М.Заборко, И.А.Фидзелем и
К.П.Кашкаровым. При статическом методе штамп медленно и непрерывно вдавли-
вается в испытываемый бетон определенной силой. При динамическом методе
штамп вдавливается в бетон за счет энергии удара (от руки, пружины, свободною
падения штампа, выстрела и т.д.). Размер отпечатка, оставляемого на поверхности
бетона штампом шаровой или конической формы, принимается при последующих
измерениях за меру твердости бетона, которая зависит не только от прочности бето-
на, но и от величины силы, воздействующей на штамп. Поэтому для установления
однозначной зависимости показателя прочности бетона от размера отпечатка или
высоты отскока штампа, необходимо статическую силу или силу удара приклады-
вать при испытании всегда постоянной или автоматически учитывать её изменчи-
вость самим прибором. Последний факт имеет место в эталонном молотке
К.П.Кашкарова, электронном измерителе прочности бетона ИПС-МГ4, ударно-
импульсном приборе ОНИКС-2.3, которые получили наиболее широкое примене-
ние.
1. Молоток К.П. Кашкарова
а) Устройство и принцип работы
При ударе молотком (рис.6.1) по конструкции на поверхности бетона обра-
зуются отпечатки диаметром De, а на эталонном стержне диаметром d, (больший
диаметр эллипса). Между отношением и пределом прочности бетона на сжатие R«
существует, как было выше отмечено, определенная связь, которая практически не
зависит от силы удара.
б) Тарировочная кривая и метод её получения
При организации неразрушающих испытаний конструкций из бетона и же-
лезобетона с целью определения прочности бетона на сжатие следует предвари-
тельно построить тарировочную кривую (рис.6.2), для чего необходимо провести
параллельные испытания бетонных образцов неразрушающими и разрушающими
методами. Предел прочности бетона разрушающим методом определяется как сред-
225
нее арифметическое от результатов проведенных испытаний с точностью до 0,1
МПа. Кубические бетонные образцы размером 20x20x20 см изготовлены из трёх
замесов бетонной смеси одинакового состава из одних и тех же материалов, твер-
деющих в одинаковых условиях с влажностью 2-6%.
Рис. 6.1. Конструктивная схема эталон-
ного молотка К.П. Кашкарова:
1 - головка,
2 - стакан,
3 - корпус,
4 - пружина,
5 - шарик,
6 - эталонный стержень,
7 - ручка
в) Доминирующие факторы, влияющие на точность прочности бето-
на
При определении прочности бетона молотком Кашкарова в случае исполь-
зования тарировочной кривой (рис.6.2), которая получена на кубических бетонных
образцах, равноценных по составу, условию изготовления и хранения с бетоном
исследуемой конструкции, опыт дает удовлетворительные по точности результаты.
При несоблюдении вышеуказанных условий t полученные результаты необходимо
вводить поправочные коэффициенты, учитывающие:
- фактическую влажность бетона ( Км ), табл. 6.1:
Таблица 6.1.
Влажность бетона.% 1 2-6 8 12 Мокрая поверхность
км 0.96 1 1.1 1.2 1.4
- вид смазки опалубочных элементов ( Кс), табл. 6.2:
Таблица 6.2.
Вид смазки Эмульсионная Автол Известко- вая Петролатум Асф.лак
Цвет Светлый Светло-синий Светлый Темно-серый Черный
Кс 1 1.2 1.1 1.2 1.4 2.2
- продолжительность твердения бетона в естественных условиях (Kt),
табл.6.3:
Таблица 6.3.
Возраст бетона в сут. 3 7 8 56
к, 1.4 1.2 1.06 1.00
226
Dci/dy
Ra, Fla
Рис.6.2. Тарировочиая кривая для молотка Кашкарова
Количество отпечатков, необходимое для получения ошибки не более 10-
15%, следует определять по следующей эмпирической формуле:
n = 4Oo[R,w ~Re,,n К1. <61>
где Rmax ь Rep, Rmir, - наибольшее, среднее и наименьшее значения прочности бето-
на; К - коэффициент, зависящий от количества сделанных отпечатков (табл.6.4):
Таблица 6.4.
Кол-во отпечатков 5 6 7 8 9 10 20
К 0.43 0.395 0.370 0.350 0.337 0.325 0.292
и, наконец, обязательному учету должен подлежать предел прочности стали, из ко-
торой изготовлен эталонный стержень, используемый в молотке К.П.Кашкарова.
г) Обработка результатов измерений
I. Устанавливается наличие аномальных результатов испытания в полу-
ченной совокупности D6 |, D§ 2D6 j , для чего определяется среднее арифметиче-
ское значение диаметра отпечатка на бетоне:
(6-2)
где п - число измеренных от печатков.
2. Определяются значения отклонений (Дб|-Дбср)и вычисляется среднее
квадратичное отклонение:
(63)
3. Результаты испытаний признать удовлетворительными, если выполняет-
ся условие:
Tj<Tk,
где Т| = ( D6i - D6vp) S ; (6.4)
Tk - допустимое значение, принимаемое по табл. 6.5.
227
Таблица 6.5
п 3 4 5 6 7 8 9 10
тк 1.74 1.94 2.08 2.14 2.27 2.33 2.39 2.44
4. При наличии аномальных результатов следует выбраковать отпечатки
диаметрами:
D6i< 0.3 D и D6l>0.7D,
где D - диаметр шарика молотка Кашкарова.
(6.5)
Затем найти сумму
••I
(6.6)
я
5. Аналогичные расчеты произвести для отпечатков на эталонном стерж-
не.
6. Найти отношение
(6-7)
/-1
и установить прочность бетона.
2. Электронный измеритель прочности бетона ИПС-МГ4
а) Назначение и область применения
Электронный измеритель прочности бетона ИПС-МГ4 (рис. 6.3) предна-
значен для неразрушающего контроля прочности бетона, железобетонных изделии,
конструкций и строительной керамики методом ударного импульса. Прибор позво-
ляет, также, оценивать физико-механические свойства материалов в образцах и из-
делиях (прочность, твердость, упруго-эластические свойства), выявлять неоднород-
ности, зоны плохого уплотнения, наличия расслоений.
Область применения прибора - контроль прочности бетона на предпри-
ятиях стройиндустрии и объектах строительства, а также при обследовании экс-
плуатируемых зданий и сооружений.
Диапазон рабочих температур от -10° С до +40° С, относительная влаж-
ность воздуха до 80%, атмосферное давление от 630 до 800 мм рт.ст. (86... 106,7
кПа).
Прибор обеспечивает определение прочности в диапазоне З...Ю0МПа.
Предел допускаемой основной погрешности определения прочности в диапазоне
З...Ю0МПа не более +(-)10%. Питание осуществляется от пяти аккумуляторов типа
Д-0,26. Ток, потребляемый прибором от батареи, не более ЮмА. Время одного из-
мерения не более 2 секунц.
б) Устройство и принцип работы
Принцип работы прибора основан на измерении параметра акустического
импульса, возникающего на выходе склерометра при ударении бойка о поверхность
контролируемого материала. Конструктивно прибор выполнен в виде двух блоков:
электронный блок и склерометр (преобразователь).
Испытания проводятся на участке размером не менее 100 см2 изделия
(конструкции) при его толщине не менее 50 мм. При определении прочности обсле-
дуемых участков должно приниматься по программе обследования, но менее трех.
228
Рис. 6.3. Электронный измеритель прочности бетона ИПС-МГ4
Граница участка между точками испытания должно быть не менее 15мм,
расстояние мест проведения испытании до арматуры должно быть не менее 50мм,
шероховатость поверхности бетона на участке испытаний должна быть не более 40
мкм, что соответствует шероховатости поверхности кубов, испытанных при калиб-
ровке прибора.
В необходимых случаях допускается зачистка поверхности изделия абра-
зивным камнем. Число испытаний на участке должно быть не менее 10. Контроль
прочности бетона прибором может производиться по результатам испытаний кон-
трольных образцов размеров не менее 100x100x100 мм или по результатам опреде-
ления прочности бетона в изделиях и конструкциях.
3. Ударно-импульсный прибор ОНИКС-2.3
а) Назначение и область применения
Прибор ОНИКС-2.3 предназначен для определения прочности бетона на
сжатие неразрушающим ударно-импульсным методом при технологическом кон-
троле качества, обследовании сооружений и конструкций, также для определения
229
твердости, однородности, плотности и пластичности различных материалов (кир-
пич, штукатурка, композиты и др.).
Основные технические характеристики: диапазон измерений прочности -
1... 100 МПа; погрешность - 5%; энергия удара - 0,07...0,12 Дж; питание - от 2
аккумуляторных батарей или элементов типоразмера АА; масса измерителя - 0,14
кг; масса датчика - 0,16кг; память - 1000 результатов; эталон - контрольное уст-
ройство из текстолита.
б) Принцип работы
Принцип работы прибора заключается в обработке импульсной переход-
ной функции электрического сигнала, возникающего в чувствительном элементе
при ударе о бетон. Преобразование получаемого электрического параметра в проч-
ность или другой эквивалентный параметр производится по формулам:
В = U ап, (6.8)
R = (а* + а, В + а2 В2) • а8 • Кф, (6.9)
где В -условная твердость материала, МПа;
U - эквивалент электрического параметра:
R - прочность, МПа;
ап - коэффициент преобразования;
ав - коэффициент возраста бетона;
Кф - коэффициент формы;
ао , а| а2 - коэффициенты аппроксимирующего полинома.
в) Устройство прибора
Прибор состоит из: электронного блока с сигнальным процессором, раз-
мещенным в корпусе; 9 - клавишной клавиатуры и графического дисплея, располо-
женных на лицевой панели корпуса; датчика - склерометра,, подключаемого к элек-
тронному блоку посредством кабеля через разъем, расположенный в верхней торце-
вой части корпуса. Рядом с разъемом расположено окно инфракрасного канала свя-
зи с компьютером для передачи и обработки результатов.
Доступ к элементам питания открывается после снятия крышки батарейно-
го отсека на задней стенке корпуса. На левой боковой стенке имеется кистевой ре-
мешок.
Прибор состоит из 9 клавиш (рис.6.4).
Клавиша « О » используется для включения и выключения прибора. От-
ключение производится также автоматически через заданный интервал времени,
если с прибором не производится никаких действий.
Клавиша « О » служит для включения и выключения подсветки дисплея.
При включении прибора подсветка всегда отключена.
Клавиша « М » служит для перевода прибора в режим измерения прочно-
сти.
Клавиша « F » является функциональной, предназначена для работы в
режиме главного меню и меню.
Клавиши », «-► » предназначены для управления курсором (ми-
гающий знак, цифра 1 т.п.) в режиме установки рабочих параметров, а также для
управления просмотром памяти результатов по номерам.
Клавиши «fl », « » предназначены для выбора сгроки меню, для ус-
тановки значений параметров и для просмотра памяти по датам.
Клавиша « С » служит для сброса устанавливаемых параметров в началь-
ное состояние и для удаления ненужных результатов.
г) Порядок работы
При подготовке прибора к работе необходимо:
- подсоединить к прибору датчик-склерометр;
230
- включить питание прибора нажатием клавиши « О », при этом на дисплее должно
появиться сообщение о температуре и напряжении питания, а через 2 сек. - главное
меню: если дисплей не работает или появляется сообщение "Зарядить АКБ", следует
заменить элементы питания или зарядить аккумулятор.
Рис. 6.4. Ударно-импульсный прибор ОНИКС-2.3
Перед началом измерений необходимо выполнить ориентацию прибора в
следующей последовательности:
- установить направление удара;
- выбрать вид материала через пункт главного меню «Материалы»: бетон (тяжелый,
легкий, бетон X), кирпич (керамический, силикатный, кирпич X), раствор, материал
X;
- установить возраст бетона (при необходимости);
- сориентировать прибор по количеству ударов;
- установить коэффициенты преобразования для конкретного вида материала по
уравнению (6.9)
- при необходимости установить размерность измеряемого параметра: МПа или
кгс/см2:
- через пункт главного меню "Дополнительно" произвести первичную установку:
даты и времени; интервала времени автоматического отключения и установить тип
источника питания.
д) Использование памяти
Прибор оснащен памятью для долговременного хранения 1000 результатов
измерений, которые заносятся в память подряд, начиная с 1 номера для каждой даты
календаря. Когда память прибора заполняется полностью, самые старые результаты
удаляются, и их место занимают новые, обеспечивая сохранение новой информации
в режиме полного использования памяти.
В приборе имеется инфракрасный оптоканал связи с компьютером.
Для передачи информации на компьютер необходимо включить компью-
тер и вызвать соответствующую программу связи.
231
Установить прибор так, чтобы его окошко инфракрасного канала было
расположено напроти аналогично окошка оптосчитывателя на расстоянии 300 мм,
обеспечив отсутствие прямого попадания на фотоэлементы солнечного света.
е) Работа с программой
Программа предназначена для переноса результатов измерений в компью-
тер, их сохранения, просмотра и выборки из полученного массива, а также печати
отобранных результатов в виде таблиц с указанием времени и даты проведения из-
мерений, вида материала, значений прочности с коэффициентом вариации и вели-
чине размаха.
После вызова программы "Измерение прочности" на мониторе появится
изображение окна* в верхней строке которого находятся клавиши (слева-направо):
- считывание информации с прибора;
- выборка результатов по виду материала, дате, времени;
- удаление из памяти компьютера;
- установка принтера;
- отчет;
- данные о программе.
В окне также находятся клавиши: настройки (связь через порт сом1, сом2,
...); справки, итого (данные о считанной информации по последнему сеансу связи).
Нижняя строка - стандартный Навигатор Базы данных.
Для считывания информации необходимо:
- вызвать программу "Измерение прочности";
- подключить к выбранному порту компьютера и к сети (50 Гц, 220 В) ин-
терфейсный блок;
- совместить оптические оси интерфейсного блока и прибора ОНИКС-2.3
так, чтобы окна инфракрасных каналов находились друг против друга на расстоянии
300 мм, исключив прямое попадание на них солнечного света;
- включить прибор ОНИКС-2.3, нажать в окне на экране монитора клави-
шу считывание: на экране появится изображение линейного индикатора с указани-
ем % считанной информации;
- после завершения сеанса связи (около 1,5 минут) на мониторе появится таб-
лица результатов с указанием номера, даты и времени измерений, вида материала,
средней прочности в серии, коэффициента вариации в % и размаха в %;
- программа позволяет производить выборку требуемых результатов из
массива данных (дата, вид материала) и выводить их на печать.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Ознакомиться с конструкцией эталонного молотка системы
К.П.Кашкарова, ударно-импульсным прибором ОНИКС-2.3 и электронным измерите-
лем прочности бетона ИПС-МГ4.
2. Измерить основные размеры испытываемых образцов для последующе-
го определения их влажности.
3. Многократно, с помощью ультразвукового прибора УК-10П и тариро-
вочной кривой (рис.6.1), определить акустическим методом прочность бетона
испытываемых кубов.
4. Многократно, учитывая формулу (6.1), определить механическим мето-
дом с помощью молотка Кашкарова прочность бетона на сжатие (табл. 6.6).
5. Определить фактическую прочность бетона испытываемых образцов,
подвергнув их одноосному сжатию на прессе вплоть до разрушения.
6. Определить влажность бетона образца весовым методом, откорректиро-
вать результаты, полученные с помощью молотка Кашкарова.
232
7. Выполнить сравнение и анализ полученного материала различными
приборами с последующими выводами.
Таблица 6.6
п мм мм Дб> Д&р. мм se T« d,i 4кр d>, .dxp s, К п п SJ £dy, i=1 i-1 R.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 I2 n 13
I 2 3 4
Лабораторная работа 7
ПРИБОРЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ПРИ ДИНАМИЧЕСКИХ
ИСПЫТАНИЯХ КОНСТРУКЦИЙ
Цель работы: Изучить устройства, технические характеристики и назна-
чение приборов при динамических испытаниях строительных конструкций. Изучить
методику определения основных параметров колебательного процесса и динамиче-
ских напряжений в несущих строительных конструкциях на примере испытания
модели деревянной балки.
Оборудование: испытательный стенд, деревянная балка, вибромашина, ос-
циллограф, вибродатчик, коммутирующее устройство, микрометр, прокомпариро-
ванная линейка, электронный измеритель МГ4.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Все приборы можно разделить на две группы: приборы основные и прибо-
ры вспомогательные.
Приборы, предназначенные для регистрации колебательных процессов,
подразделяются на:
ви брографы - измеряющие и записывающие линейные перемещения ко-
леблющегося предмета;
се йсмографы - применяются для записи колебаний грунта при землятре-
сениях или взрывах;
то рсиографы - измеряющие крутильные колебания;
вел осиографы - измеряющие и записывающие скорости колеблющихся
тел;
акс елерографы - измеряющие и записывающие ускорения колеблющихся
тел.
К вспомогательным приборам относятся: осциллографы, анализаторы
(механические, оптические, электронные) и вибростенды. Осциллограмма сложного
колебательного движения, записанная осциллографом, представляет собой графиче-
скую интерпретацию колебательного процесса как функцию времени.
При помощи вибростенда можно создать эталонные колебания, которые необ-
ходимы при калибровке измерительных приборов.
1. Механические амплитудомеры
Для приближенного измерения амплитуды стабильного колебательного
процесса можно использовать индикатор часового типа (рис.7.1). Корпус его при-
233
крепляется к неподвижному предмету (точке), не связанному с испытываемой кон-
струкцией. Измерительный стержень (ножка) упирается в колеблющуюся конструк-
цию, амплитуду колебаний которой измеряют.
При низкой частоте колебаний отсчеты снимаются со шкалы по показани-
ям стрелки. При большой частоте колебания глаз наблюдателя не улавливает поло-
жение стрелки, а видит лишь затемненный сектор. По контурам сектора снимаются
отсчеты.
Для измерения вертикальных вибраций можно использовать маятник
(рис.7.2). Верхний конец пружины крепится к исследуемой конструкции, а на ниж-
нем конце подвешивается груз, под действием которого пружина растягивается на
величину Уст.
Шкала
индикатора
Затемненный
сектор
Направление
колебаний
Рис.7.1. Измерение амплитуды колебаний индикатором часового типа:
1 - стрелка, 2 - ножка, 3 - неподвижная точка, 4 - испытуемая конструкция
Период колебаний определяется по формуле:
JK „ -> и”
q VP
где Р - сила, которая вызовет перемещения груза на 1 см;
m - масса груза.
(7.1)
Рис.7.2. К определению периода колебаний балки:
1 - балка, 2 - груз, 3 - пружина
2. Электронным измеритель амплитуды колебаний МГ4
а) Назначение прибора
Электронный измеритель амплитуды и частоты колебаний виброплощадок
“Вибротестер-МГ4” предназначен для оперативного контроля амплитуды и частоты
колебаний виброплощадок, виброблоков и других вибросистем, используемых для
уплотнения бетонных смесей при производстве бетонных и железобетонных изде-
лий.
234
Прибор обеспечивает измерение частоты в диапазоне от 15 до 100 Гц и
амплитуды в диапазоне 0,2...2,5 мм. Предел допускаемой абсолютной погрешности
измерения частоты механических колебаний не более + 1Гц, масса прибора с вибро-
преобразователем 640 г.
Принцип работы прибора основан на измерении параметра импульса, воз-
никающего на выходе вибропреобразователя, установленного на контролируемый
объект. Структурная схема прибора приведена на рис.7.3.
Рис.7.3. Структурная схема прибора “Вибротест-МГ4”:
1-объект колебаний, 2-датчик, 3-вибропреобразователь, 4-согласующее устройство, 5-первый
интегратор, 6-управляемый делитель, 7-второй интегратор, 8-переключатель “работа-
проверка", 9-компаратор, 10-детектор, 11-преобразователь U-f, 12-триггер, 13,14-схема “И”,
15-схема “ИЛИ”, 16-счетчик, 17-счетчик-распределитель, 18-индикатор, 19-схема “ИЛИ”. 20-
инвертор, 21-генератор, 22-цспь сброса
б) Конструкция и работа прибора
Конструктивно прибор выполнен в виде двух блоков (рис.7.4): электрон-
ного блока и вибропреобразователя.
Перед началом работы необходимо снять крышку батарейного отсека и в
соответствии со схемой, приведенной на рис.7.5, собрать батарею питания.
При этом необходимо обратить особое внимание на полярность включения аккуму-
ляторов, чистоту пружинных контактов и контактных поверхностей аккумуляторов,
при необходимости зачистить контактные поверхности.
Затем произвести проверку работоспособности прибора, для чего подклю-
чить вибропреобразователь, а затем включить питание прибора. Нажатием кнопки
ПРОВЕРКА подать на вход контрольный сигнал, наличие сигнала проконтролиро-
вать по включению символа ~ в левой части индикатора. Затем нажать и отпустить
кнопку ПУСК, запустить прибор в работу и зафиксировать на индикаторе результат,
который при исправной работе прибора должен составлять: для амплитуды 0,73 ±
0,02 мм; для частоты - 17 Гц ± 1 Гц.
Индикация результата измерения производится поочередно, сначала инди-
цируется амплитуда с выдержкой на индикаторе 4 сек., а затем частота.
Для определения эффективности передачи колебаний на форму и уплотне-
ния бетонной смеси необходимо провести замеры параметров колебания формы с
бетонной смесью, для чего установить вибропреобразователь на форму (место виб-
ропреобразователя должно быть очищено от остатков бетона и смазки).
Фиксацию формы на виброплощадке следует считать удовлетворительной
в том случае, если амплитуда и частота колебаний формы с бетонной смесью со-
ставляют 85-90%, измеренной на нснагруженной виброплощадке.
235
1JHTJ
Рис. 7.4. Общий вил прибора “Вибротсст-МГ4”
Рис. 7.5. Вид батарейного отсека и вибропреобразователя
прибора “Вибротест-МГ4”
3. Приборы для записи виброграмм
Если величины амплитуды и частоты отсчитываются непосредственно по
шкале прибора, то такие приборы называются виброметрами. Если колебательный
процесс записывается прибором на бумагу или фотопленку, то такой прибор назы-
вают вибрографом.
Наибольшее распространение в практике испытания конструкций получи-
ли ибрографы Гейгера и ручные вибрографы типа ВР. Вибрографом могут изме-
ряться амплитуды колебаний в пределах 0,05...6 мм.
Для исследования строительных конструкций широко применяются ос-
циллографы (светолучевые и электронные). Светолучевые осциллографы позволяют
непосредственно получать записи колебаний одновременно в нескольких точках.
Частотный диапазон ограничен пределом от 2 до 3 гц. При частоте более 3 гц при-
меняют электронные осциллографы.
Осциллограф типа Н-102 предназначен для визуального наблюдения и за-
писи одновременно восьми виброграмм. Осциллограф изготовляется в следующих
модификациях: для работы при температурах воздуха от +10° до -35°С, относитель-
ной влажности до 80% и для работы при температуре воздуха от +10° до - 35°С,
относительной влажности 98% (Н - 102Т).
236
Осциллограф Н-700 предназначен для регистрации электрических процес-
сов с частотой от 0 до 2000 Гц. Он имеет 14 каналов. Питание осциллографа произ-
водится от аккумуляторов напряжением 27В или от сети через специальный преоб-
разователь. Метки времени наносятся на ленту при помощи специального отметчи-
ка с точностью 1% в виде тонких поперечных линий с интервалом 0,1 или 0,05 сек.
ДИНАМИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ ДЕРЕВЯННОЙ БАЛКИ
Основными параметрами колебательных процессов являются: частота, ам-
плитуда, ускорение, время затухания и коэффициент затухания колебаний. В на-
стоящей работе остановимся на определении только первых трех параметров.
1. Испытательная установка
Установка представляет собой (рис.7.6) деревянную балку на двух опорах
с установленной на ней вибромашиной (электродвигатель с эксцентриком) и пер-
вичным вибродатчиком тензометрического типа для преобразования механических
колебаний f электрический сигнал последующего усиления и регистрации характе-
ристик динамического процесса на виброграмме.
Рис. 7.6. Расчетная схема балки:
1 - вибромашина, 2 - вибродатчнк, 3 - деревянная балка
2. Запись и обработка виброграмм
Запись виброграмм производится либо механическим способом с помо-
щью вибрографа ВР-1, либо электрическим с помощью применения вибродатчиков,
преобразующих механические колебания балки в электрический сигнал, который в
последующем усиливается и регистрируется графопостроителем, самописцем или
светолучевым осциллографом (рис.7.7).
Рис. 7.7. Блочная схема измерительной системы:
1- вибродатчик, 2 - тензоусилитель ПА-1, 3- графопостроитель, 4 - блок питания
237
По виброграммам, записанным тем или иным способом, можно определить
период, частоту и амплитуду как свободных, так и вынужденных колебаний. Для
этого необходимо с помощью циркуля-измерителя и прокомпарированной линейки
определить длину соответствующих элементов виброграммы. При этом период
колебаний систем можно определить из выражения:
(7.2)
п
где п - число периодов колебаний, совершаемых конструкцией за время t, с.
Частота колебаний системы Г является величиной, обратной периоду Т,
(73)
f =-•
Т
Амплитуда д ля любого периода колебаний определяется выражением:
где А* - двойная амплитуда i-ro периода, измеренная на виброграмме исследуемых
колебаний;
К - коэффициент увеличения измерительной системы.
3. Определение частоты собственных колебаний балки
Приведенный вес балки и вибромашины определяется по следующей
формуле:
~я
(7.5)
где q - погонный вес балки,
Ч=ТлерЬ Ь,
£0 - пролет балки;
Рвиб - вес вибромашины;
Удер - плотность древесины.
Прогиб балки от статического действия приведенного веса балки
определяется по формуле:
48 Е Г
(7.6)
где Е - модуль упругости материала балки;
I - момент инерции поперечного сечения балки.
Частота собственных колебаний балки (рис.2.1) определяется по формуле:
(7.7)
где g* - ускорение силы тяжести, равное 981 кг/с2.
4. Экспериментальное определение величины приведенной массы
Для определения приведенной массы балки необходимо экспериментально
определить частоту свободных колебаний f| и f2 балки при установке на нее
дополнительных грузов массой nij и т2. Приведенная масса балки определяется по
формуле:
(7.8)
238
где fj и f2 - частоты собственных колебаний балки соответственно при величинах
сосредоточенных масс Ш| и ш2.
5. Определение динамических напряжений
Определив экспериментально частоту f и амплитуду А вынужденных
колебаний, можно аналитически вычислить значение динамических напряжений,
формирующихся в балке.
Максимальное ускорение колебаний определяется по формуле:
X=4n2Af2, (7.9)
где А - амплитуда колебаний балки;
f - частота колебаний балки.
Значение динамической силы определяется по формуле:
Динамическое напряжение определяется по формуле:
О- (7.11)
4 W 4W ’
где Мдин- момент, возникающий в балке от действия сосредоточенной силы Рд^;
W - момент сопротивления балки;
Со - расчетная длина пролета балки.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Ознакомиться с испытательной установкой, измерительной и
регистрирующей аппаратурой.
2. Включить регистрирующую электронную аппаратуру и вибромашину для
оценки работоспособности всей системы.
3. Провести запись виброграммы свободных колебаний балки после выведения
последней из устойчивого равновесия без дополнительного груза и с грузами Ш| и
т2. Выполнить обработку полученных виброграмм.
4. Определить по виброграммам период и частоту собственных колебаний
балки.
5. Вычислить по формуле (7.7) приведенную массу балки.
6. С помощью вибромашины, изменяя число оборотов ее двигателя, создать в
балке явление резонанса с одновременной регистрацией возникающего
колебательного процесса на виброграмме.
7. Определить по формуле (7.6) теоретическое значение собственных
колебаний балки и сравнить ее с частотой, полученной экспериментально, в случае
свободного колебания балки и в случае возникновения явления резонанса.
8. Определить частоту и амплитуду вынужденных колебаний /-го периода с
последующим вычислением ускорения по формуле (7.8) и динамического
напряжения в материале балки по формуле (7.10).
9. Выполнить анализ и сравнение полученных теоретических и
экспериментальных данных динамического испытания с последующим обобщением
и выводами.
Учебное издание
ЗЕМЛЯНСКИЙ Анатолий Андреевич
ОБСЛЕДОВАНИЕ И ИСПЫТАНИЕ
ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
Редактор З.И. Шевченко
Корректор З.И. Прозорова
Компьютерная верстка С.В. Ращепкин
Лицензия ЛР № 07 ] 6188 от 01 04.98. Сдано в набор 22 02 01
Подписано к печати 14.12 04 Формат 60x90/16.
Гарнитура Таймс Печать офсетная Бум га газетная. П завод.
Усл 15 п. л Заказ К- 4706 Тираж 2000 экз
Издательство Ассоциации иремтельмых вузов (АСВ)
129337, Москва, Ярославское шоссе, 26. оф. 706 (отдел реализации - оф. 511)
тел , факс 183-57-42
e-mail: layv^ni^p.nj
http://www.iasv.ru
Отпечатано в ОАО «Дзержинская типография».
606025, г. Дзержинск Нижегородской обл, пр. Циолковского, 15.