Способ испытания железобетонного элемента с продольным статическим сжатием и динамическим изгибающим моментом

Изобретение относится к технике испытаний конструкций на динамические воздействия. Сущность: определяют резонансным методом низшую собственную частоту колебаний железобетонного элемента. Производят разрушающее однократное динамическое воздействие на испытуемый железобетонный элемент. Фильтруют высшие гармоники собственных колебаний, возникающие и соответствующие гармоникам в момент разрушения железобетонного элемента, от низшей гармоники, частота которой соответствует низшей собственной частоте колебаний железобетонного элемента, и по полученным данным судят о реальных значениях динамических параметров. Предварительно изготавливают два или серию одинаковых железобетонных элементов. Резонансный метод используют для определения низшей собственной частоты колебаний одного из этих элементов, принятого за эталон, причем его подвергают пошаговому статическому продольному сжатию, увеличивая с каждым последующим шагом величину статической продольной силы в интервале от нуля до максимально допустимой величины. После каждого шага продольного статического сжатия резонансным методом определяют низшую собственную частоту колебаний железобетонного элемента, после чего строят график зависимости собственной частоты колебаний от относительной продольной статической сжимающей силы, которую определяют по формуле. Другой, испытуемый, железобетонный элемент подвергают продольному статическому сжатию на заданную величину и разрушающему однократному динамическому воздействию с заданной величиной изгибающего момента. Определяют относительному величину продольной статической сжимающей силы в момент разрушения и по графику зависимости собственной частоты колебаний от относительной величины продольной статической сжимающей силы, полученному для эталонного элемента, определяют низшую собственную частоту колебаний этого испытуемого железобетонного элемента в момент разрушения, которую учитывают при фильтрации высших гармоник собственных колебаний. Технический результат: повышение точности определения собственной частоты железобетонных элементов. 1 ил.

 

Изобретение относится к технике испытаний конструкций на динамические воздействия, в частности для испытаний железобетонных элементов с продольным статическим сжатием и динамическим изгибающим моментом.

Известен способ испытания объекта на ударные воздействия (патент RU №1811276, G01M 7/08, опубл. 1995.11.10), включающий воздействие на объект двух последовательных эталонных ударных импульсов, имитирующих сложное реальное воздействие. Параметры первого импульса задают из условия обеспечения близости максимальных деформаций объекта в области его низкочастотного резонанса при испытательном и имитируемом реальном воздействиях. Параметры второго импульса задают из условия обеспечения близости ударных спектров испытательного и реального воздействий в диапазоне частот, лежащих выше , где f_{0 -} низшая собственная частота объекта. При предварительном определении f₀ создают предварительную статическую деформацию объекта, соответствующую по величине и направлению максимальной деформации объекта при реальном воздействии. Данный способ относится к способам испытаний на приведенные ударные воздействия, имитирующие реальные ударные процессы.

Недостатком известного способа является то, что данный способ не позволяет точно определить и исключить высший спектр собственных гармонических составляющих и гармоник колебаний, образующихся в процессе разрушения конструкции в зарегистрированных сигналах датчиков измерительной системы. Расчет по приведенной в способе формуле не позволяет точно определить собственные гармоники, и ошибка в расчетах собственной частоты может достигать десятков процентов, что неприемлемо для получения достоверных результатов. Кроме того, при испытаниях железобетонных элементов с продольным статическим сжатием и динамическим изгибающим моментом погрешность определения собственных частот конструкции еще более возрастает.

Прототипом заявляемого изобретения является способ испытания конструкции на ударные воздействия (патент RU №2362136, G01M 7/08; 7/02, опубл. 20.07.2009). Способ заключается в предварительном определении резонансным методом низшей собственной частоты колебаний испытываемого образца, после чего его подвергают ударной нагрузке из условия обеспечения максимальной деформации и разрушения. Полученные данные обрабатывают и фильтруют высшие гармоники собственных колебаний, соответствующие гармоникам в момент разрушения конструкции, от низшей гармоники, частота которой соответствует измеренной низшей собственной частоте колебаний конструкции. В частном случае для определения низшей собственной частоты колебаний в конструкции возбуждают вибратором колебания, которые регистрируют измерительной системой по сигналу акселерометра, и по максимуму резонанса определяют низшую собственную частоту. По полученным данным (отфильтрованным высшим гармоникам) судят о реальных значениях динамических параметров.

Применение способа позволяет получать достоверные данные о результатах испытаний железобетонного элемента с динамическим разрушающим нагружением. Однако в случае испытания железобетонного элемента с продольным статическим сжатием и динамическим изгибающим моментом не учитывается изменение собственной частоты колебаний железобетонного элемента, предварительно сжатого статической продольной силой. Соответственно, при дальнейшей фильтрации и обработке показаний датчиков накапливается ошибка, которая зависит от величины статической продольной силы. В связи с этим снижается точность и достоверность результатов испытаний.

Задача изобретения состоит в том, чтобы повысить точность и достоверность результатов испытаний железобетонных элементов с продольным статическим сжатием и динамическим изгибающим моментом.

Технический результат, позволяющий решить поставленную задачу, заключается в повышении точности определения собственной частоты железобетонных элементов.

Технический результат достигается следующим образом. Как и в прототипе, по заявленному способу испытания железобетонного элемента с продольным статическим сжатием и динамическим изгибающим моментом определяют резонансным методом низшую собственную частоту колебаний железобетонного элемента, после чего производят разрушающее однократное динамическое воздействие на испытуемый железобетонный элемент. Фильтруют высшие гармоники собственных колебаний, возникающие и соответствующие гармоникам в момент разрушения железобетонного элемента, от низшей гармоники, частота которой соответствует низшей собственной частоте колебаний железобетонного элемента, и по полученным данным судят о реальных значениях динамических параметров. В отличие от прототипа, согласно заявленному способу предварительно изготавливают два или серию одинаковых железобетонных элементов, а резонансный метод используют для определения низшей собственной частоты колебаний одного из этих элементов, принятого за эталон, причем его подвергают пошаговому статическому продольному сжатию, увеличивая с каждым последующим шагом величину статической продольной силы в интервале от нуля до максимально допустимой величины, и после каждого шага продольного статического сжатия резонансным методом определяют низшую собственную частоту колебаний железобетонного элемента, после чего строят график зависимости собственной частоты колебаний от относительной продольной статической сжимающей силы, которую определяют по формуле

где α_ni - относительная величина продольной сжимающей силы на i шаге;

N_i - статическая продольная сжимающая сила i шага;

R_b - расчетное сопротивление бетона сжатию;

A_b - площадь сечения железобетонного элемента;

i - число шагов статического сжатия,

после этого другой, испытуемый, железобетонный элемент подвергают продольному статическому сжатию на заданную величину и разрушающему однократному динамическому воздействию с заданной величиной изгибающего момента, определяют относительному величину продольной статической сжимающей силы в момент разрушения и по графику зависимости собственной частоты колебаний от относительной величины продольной статической сжимающей силы, полученному для эталонного элемента, определяют низшую собственную частоту колебаний этого испытуемого, железобетонного элемента в момент разрушения, которую учитывают при фильтрации высших гармоник собственных колебаний.

Указанная совокупность технических признаков получена впервые и в известных технических решениях не обнаружена, что подтверждает новизну изобретения.

Повышение точности и достоверности результатов испытаний железобетонных элементов с продольным статическим сжатием и динамическим изгибающим моментом достигается следующим образом.

Применение известного способа для определения низшей собственной частоты дает возможность измерить собственную низшую частоту железобетонного элемента. Однако в результате приложения продольной силы сжатия, как показали эксперименты, изменяется величина собственной частоты первой гармоники.

Ошибка определения собственной частоты первой гармоники, как показали эксперименты, зависит от относительной величины продольной силы, и изменяется, например, от 0 до 15,6% при изменении относительной величины продольной силы от α_ni=0 до значения α_ni=0,5 от предельного значения, воспринимаемого бетонным сечением на сжатие.

Кроме того, в течение интервала времени, соответствующего разрушению железобетонного элемента, изменяется величина продольной силы вследствие изменения геометрических размеров железобетонного элемента - возникают сверхнормативные динамические прогибы. Предложенный способ позволяет, при наличии средств контроля мгновенных значений продольной силы, учесть и преобразовать изменения относительной величины продольной силы в изменения резонансной частоты первой гармоники железобетонного элемента.

Таким образом, применение предложенного способа испытаний позволяет исключить статическую ошибку (вызванную заданной величиной статического сжатия) и динамическую ошибку (вызванную изменяемым динамическим сжатием в процессе разрушения железобетонного элемента) и тем самым повысить точность определения величин ускорений в процессе воздействия динамического изгибающего момента при испытаниях железобетонного элемента.

Технические решения, содержащие признаки, отличающие заявляемый способ от прототипа, среди известных источников информации не выявлены. Следовательно, заявляемый способ явным образом не следует из уровня техники и обладает изобретательским уровнем.

Изобретение промышленно применимо, поскольку его можно многократно использовать при испытаниях железобетонных элементов с продольным статическим сжатием и динамическим изгибающим моментом с достижением указанного технического результата.

Способ выполняют следующим образом. На основе расчетов с использованием математической модели испытываемого железобетонного элемента задают величину, длительность ударного воздействия, схему испытания и приложения нагрузки. В соответствии с полученными результатами расчетов изготавливают два или серию одинаковых железобетонных элементов заданных формы и размеров, с использованием определенной марки бетона. После набора железобетонных элементов заданной прочности один образец (эталонный) устанавливают в испытательный стенд. Измеряют частоту собственных колебаний образца без продольного статического сжатия. Затем его подвергают пошаговому статическому продольному сжатию до предельно допустимой величины продольной сжимающей силы. Продольную статическую сжимающую силу увеличивают с каждым шагом. Количество шагов задают заранее. Вычисляют на каждом шаге относительную величину продольной статической сжимающей силы по формуле (1).

После каждого этапа статического сжатия определяют низшую собственную частоту колебаний конструкции резонансным методом f(α_ni) от f(α_n0) до f(α_nmax) и строят зависимость резонансной частоты первой гармоники f(α_ni) от величины пошагового статического сжатия.

По полученной зависимости определяют низшую собственную частоту аналогичных железобетонных элементов при динамических испытаниях. Испытуемый железобетонный элемент вначале подвергают статическому продольному сжатию на величину расчетной испытательной нагрузки и подвергают расчетному разрушающему однократному динамическому изгибающему моменту. В процессе испытания регистрируют фактическое значение величины силы продольного сжатия в момент разрушения, по формуле (1) вычисляют относительную продольную сжимающую силу α_nps и по зависимости резонансной частоты первой гармоники f(α_ni), полученной для эталонного элемента, определяют уточненное значение резонансной частоты первой гармоники для испытуемого образца f в момент разрушения. Затем фильтруют высшие гармоники собственных колебаний с учетом низшей собственной частоты f сжатого железобетонного балочного элемента в момент разрушения.

Конкретно это показано на примере двух железобетонных элементов сечением 180×90 мм, которые армированы 4 стержнями диаметром 10 мм класса A-III, изготовленных из бетона В20. На фигуре представлена полученная экспериментальная зависимость (для элементов, принятых в примере) резонансной частоты первой гармоники (собственной частоты) f от относительной величины продольной силы α_ni для указанного железобетонного элемента, где число шагов задания сжимающей силы принято i=4, α_nmax=0,5. Для элемента с относительной величиной продольной сжимающей силы α_nps=0,5 значение частоты собственных колебаний первой гармоники составила f(α_nps)=74 Гц, а для элемента без предварительного продольного сжатия составила f₀=f(α₀)=64 Гц. Соответственно, учтенная ошибка Δf составляет

Затем при обработке полученных данных фильтруют высшие гармоники собственных колебаний с учетом измененной частоты в результате продольного статического сжатия. Согласно способу прототипа фильтрация данных осуществлялась бы на частоте 64 Гц, в предложенном способе уточненное значение составило f(α_nps)=74 Гц. Таким образом, была скомпенсирована ошибка Δf=15,6%, а значит и повышена достоверность и точность результатов испытаний.

Способ испытания железобетонного элемента с продольным статическим сжатием и динамическим изгибающим моментом, согласно которому определяют резонансным методом низшую собственную частоту колебаний железобетонного элемента, производят разрушающее однократное динамическое воздействие на испытуемый железобетонный элемент, фильтруют высшие гармоники собственных колебаний, возникающие и соответствующие гармоникам в момент разрушения железобетонного элемента, от низшей гармоники, частота которой соответствует низшей собственной частоте колебаний железобетонного элемента, и по полученным данным судят о реальных значениях динамических параметров, отличающийся тем, что предварительно изготавливают два или серию одинаковых железобетонных элементов, а резонансный метод используют для определения низшей собственной частоты колебаний одного из этих элементов, принятого за эталон, причем его подвергают пошаговому статическому продольному сжатию, увеличивая с каждым последующим шагом величину статической продольной силы в интервале от нуля до максимально допустимой величины, и после каждого шага продольного статического сжатия резонансным методом определяют низшую собственную частоту колебаний железобетонного элемента, после чего строят график зависимости собственной частоты колебаний от относительной продольной статической сжимающей силы, которую определяют по формуле

где α_ni - относительная величина продольной сжимающей силы на i шаге;
N_i - статическая продольная сжимающая сила i шага;
R_b - расчетное сопротивление бетона сжатию;
A_b - площадь сечения железобетонного элемента;
i - число шагов статического сжатия,
после этого другой испытуемый железобетонный элемент подвергают продольному статическому сжатию на заданную величину и разрушающему однократному динамическому воздействию с заданной величиной изгибающего момента, определяют относительную величину продольной статической сжимающей силы в момент разрушения и по графику зависимости собственной частоты колебаний от относительной величины продольной статической сжимающей силы, полученному для эталонного элемента, определяют низшую собственную частоту колебаний этого испытуемого железобетонного элемента в момент разрушения, которую учитывают при фильтрации высших гармоник собственных колебаний.