Способ неразрушающего определения несущей способности строительных конструкций



Способ неразрушающего определения несущей способности строительных конструкций
Способ неразрушающего определения несущей способности строительных конструкций
Способ неразрушающего определения несущей способности строительных конструкций
Способ неразрушающего определения несущей способности строительных конструкций
Способ неразрушающего определения несущей способности строительных конструкций

 


Владельцы патента RU 2460057:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Вологодский государственный технический университет" (ВоГТУ) (RU)

Изобретение относится к неразрушающему контролю несущей способности строительных и других конструкций из материалов с линейной зависимостью между нагрузкой и деформацией материала. Сущность: на поверхности испытуемой конструкции определяют места возможных максимальных деформаций. В этих местах испытуемую конструкцию нагружают 5-10 раз механической нагрузкой, не превышающей предельного значения, и определяют величину деформации в этих местах, а о прочности конструкции судят с учетом значений величины деформации. Нагружают конструкцию механической нагрузкой, направленной противоположно собственному весу и весу эксплуатационной нагрузки, тремя ступенями нагружения. Измеряют деформации в конструкции при каждом нагружении в опасном и рядом с опасным сечениях. Находят положение нейтральной оси в сечении элемента, с помощью измеренных деформаций в опасном сечении и с использованием нейтральной оси строят эпюру деформаций в этом сечении. По результатам трех средних значений относительных деформаций ε и соответствующим им нагрузкам F изображают точки в осях координат ε-F, по которым строят среднюю прямую зависимости нагрузки от относительной деформации. По оси абсцисс диаграммы откладывают измеренные относительные деформации ε. В качестве предельной деформации используют ее значение, равное 0.05%, которое соответствует пределу упругости материала, до которого диаграмму F(ε) принимают прямой линией. Несущую способность конструкции определяют в виде интервала значений строят равномерный закон распределения предельной нагрузки FПР как случайной величины по известным значениям и , несущую способность конструкции определяют по заданной вероятности (обеспеченности), как абсциссу в законе распределения с соответствующей обеспеченностью (вероятностью). Технический результат: повышение безопасности испытаний и точности определения предельной нагрузки по критерию прочности для строительных конструкций из материалов с линейной зависимостью между нагрузкой и деформацией. 5 ил.

 

Изобретение относится к неразрушающему контролю несущей способности строительных и других конструкций, например балок, рам, ферм, валов, резервуаров, зубчатых колес и т.д. из материалов с линейной зависимостью между нагрузкой и деформацией материала (стали, древесины и т.д.).

Известен способ неразрушающего контроля прочности строительных конструкций [1], заключающийся в том, что на поверхности испытуемой конструкции, например балке, раме, ферме, определяют места возможных максимальных деформаций (прогибов), в этих местах конструкцию нагружают механической нагрузкой, не превышающей предельного значения, и определяют величину деформаций в этих местах, а о прочности конструкции судят с учетом среднего значения величины деформации, прикладывают механическую нагрузку постоянной величины, испытуемую конструкцию нагружают 5-10 раз, при определении величины деформации учитывают величину перемещения, строят диаграмму «значение нагрузки - значение деформации (прогиб)» при линейной зависимости между нагрузкой и деформацией с доверительными границами и по предельной деформации (прогибу) определяют предельную нагрузку.

Недостатком этого изобретения является низкая точность диаграмм «значение нагрузки - значение деформации (прогиб)», т.к. прямая диаграммы строится по одной эксплуатационной точке, полученной по результатам экспериментов, а также необоснованных доверительных границах параллельных диаграмме Q-Δ.

Известен способ неразрушающего контроля несущей способности изделий [2], заключающийся в том, что на изделии определяют места возможных максимальных линейных или угловых перемещений, в этих местах конструкцию нагружают испытательной механической нагрузкой, не превышающей предельного ее значения по прочности и жесткости конструкции, и определяют значения максимальных перемещений, при этом нагружение конструкции выполняют в одном и том же месте 5-10 раз постоянной по значению механической нагрузкой, нагружение осуществляют не менее чем при трех различных ступенях нагрузки, по результатам трех средних значений перемещений и соответствующим нагрузкам строят прямую зависимости нагрузки от перемещения, определяют не менее трех доверительных интервалов измерений перемещений, по точкам которых строят доверительные границы измеряемых перемещений, а прочность конструкции определяют с учетом средних значений перемещений при линейной зависимости между нагрузкой и перемещением.

Недостатком этого метода является ограниченность области применения (балки, фермы, рамы), и оценка несущей способности осуществляется по критерию предельного перемещения (жесткости конструкции), а не по более важному критерию - по прочности (по безопасности) конструкции или другой продукции.

Наиболее близким изобретением служит способ неразрушающего контроля изделий [3], заключающийся в том, что на поверхности испытуемой конструкции определяют места возможных максимальных деформаций, в этих местах испытуемую конструкцию нагружают механической нагрузкой, не превышающей предельного значения вычисленного ориентировочно, теоретически, и определяют величину относительных деформации ε в этих местах, а о прочности конструкции судят с учетом среднего значения величины деформации, прикладывают механическую нагрузку постоянной величины, испытуемую конструкцию нагружают 5-10 раз, а при определении величины нагрузки учитывают величину напряжения, вычисляют соответствующие максимальные нормальные напряжения по закону Гука σMAX=ε·E, используя модуль упругости материала Е, строят диаграмму «нагрузка - напряжение» в виде прямой, проходящей через начало координат и вблизи трех точек (σMAX, Q). Экстраполируя диаграмму прямой до ординаты, равной предельному напряжению (пределу текучести, пределу прочности и т.д.). Аналогичным образом строят доверительные границы для диаграммы (Q, σ).

Недостатком этого способа является то, что дополнительное нагружение при испытании конструкции приводит к увеличению существующих повреждений в материале конструкции, так как испытательная нагрузка неизбежно накладывается на нагрузку от собственного веса конструкции и веса оборудования (или другой эксплуатационной нагрузки). Также недостатком является то, что в качестве предельного значения нагрузки по условию безопасности принимается только нижнее значение предельной нагрузки . Построение диаграммы «нагрузка Q - напряжение σ» с экстраполяцией ее прямой линией до предельного напряжения (предела прочности, предела текучести и т.д.) осуществляется по трем экспериментальным точкам с координатами (σ, Q), в то время как известно, что вблизи этих пределов диаграмма криволинейная. Также в формуле σMAX=ε·Е используется модуль упругости материала Е для определения напряжения, значения которого берутся из справочно-нормативных документов, в которых его значения приводятся при вероятности реализации, равной 50% и, следовательно, может оказаться неточным, что приводит к неопределенным по значению ошибкам при определении качества (несущей способности) конструкции. Если определение модуля упругости осуществляется по результатам дополнительных испытаний образцов из материала конструкции, то это связано с частичным разрушением и затем усилением конструкции. Кроме того, учет изменчивости модуля упругости в формуле σ=ε·Е в прототипе приводит к увеличению среднего квадратического отклонения напряжения, который определяют по формуле , из которой видно, что Sσ возрастает за счет SE, отчего возрастает ширина доверительного интервала для напряжения σ, которая определяется, например, для нормального закона распределения случайной величины (t - коэффициент Стьюдента, n - число измерений, α - уровень значимости α∈[0;1]), соответственно увеличивается интервал , внутри которого находится истинное значение предельной нагрузки QПР.

Цель изобретения - повышение безопасности испытаний и точности определения предельной нагрузки (несущей способности) по критерию прочности для строительных конструкций из материалов с линейной зависимостью между нагрузкой и деформацией (сталей, древесины и других материалов).

В способе неразрушающего контроля прочности конструкций, по которому на поверхности испытуемой конструкции определяют места возможных максимальных деформаций, в этих местах испытуемую конструкцию нагружают 5-10 раз механической нагрузкой, не превышающей предельного значения, и определяют величину деформации в этих местах, а о прочности конструкции судят с учетом значений величины деформации, нагружают конструкцию механической нагрузкой, направленной противоположно собственному весу и весу эксплуатационной нагрузки, тремя ступенями нагружения, измеряют деформации в конструкции при каждом нагружении (устанавливают измерители деформации на верхней и нижней гранях балок, ферм, рам) в опасном и рядом с опасным сечениях, находят положение нейтральной оси в сечении элемента, с помощью измеренных деформаций в опасном сечении (в месте приложения испытательной нагрузки) и с использованием нейтральной оси строят эпюру деформаций в этом сечении, по результатам трех средних значений относительных деформаций ε и соответствующим им нагрузкам F изображают точки в осях координат ε-F, по которым строят среднюю прямую зависимости нагрузки от относительной деформации, по оси абсцисс диаграммы откладывают измеренные относительные деформации ε, в качестве предельной деформации используют ее значение, равное 0.05%, которое соответствует пределу упругости материала, до которого диаграмму F(ε) принимают прямой линией, несущую способность конструкции определяют в виде интервала значений , строят равномерный закон распределения предельной нагрузки FПР как случайной величины по известным значениям и , несущую способность конструкции определяют по заданной вероятности (обеспеченности), как абсциссу в законе распределения с соответствующей обеспеченностью (вероятностью).

На фиг.1 показана испытательная нагрузка F, а также расстановка измерителей деформации Тр1 и Тр2 относительно опасного сечения (сечения с приложенной испытательной нагрузкой F), где F - нагружающее устройство (домкрат с образцовым манометром), ε3, ε4 - деформации вблизи нагружающего устройства.

На фиг.2 показан график зависимости ступеней испытательной нагрузки F1, F2, F3 от деформации ε1, ε2, ε3 с доверительными границами 0-1-2-3 и 0-1'-2'-3'.

На фиг.3 показан равномерный закон распределения случайной величины , находящейся в интервале .

На фиг.4 показана расчетная схема экспериментальной балки с испытательной нагрузкой F и установленными измерителями деформации Тр1, Тр2.

На фиг.5 показан график зависимости испытательных нагрузок F и относительных деформаций опасного сечения, а также значения , , εПР.

Способ осуществляется следующим образом.

На поверхности испытуемой конструкции определяют места возможных максимальных деформаций, в этих местах испытываемую конструкцию нагружают механической нагрузкой, направленной противоположно направлению нагрузки от собственного веса и веса оборудования (или другой эксплуатационной нагрузки), и не превышающей своего предельного, определенного теоретически значения, испытываемую конструкцию нагружают по 5-10 раз в одном и том же месте и измеряют наибольшие деформации εMAX при каждом нагружении в месте, противоположном месту приложения нагрузки, а также в верхнем и нижнем поясах, стенках, полках балок, ферм, рам и других конструкций на свободных от нагружающих устройств, например домкратов, участках. Нагружение осуществляют не менее чем при трех различных ступенях нагрузки. По результатам измеренных деформаций в опасном (наиболее нагруженном) месте балки находят наибольшие деформации в месте приложения нагрузки по результатам измерения деформаций в конструкции рядом с нагружающим устройством, по которым находят нейтральную ось, как показано на фиг.1, где F - нагружающее устройство (домкрат с образцовым манометром), ε3, ε4 - деформации вблизи нагружающего устройства.

Если поперечное сечение элемента симметричное, то ограничиваются измерением деформации ε1MAX, по которой строят диаграмму «нагрузка F - деформация ε1MAX» при трех значениях нагрузки F1<F2<F3<FПР, где FПР - предельная нагрузка, соответствующая предельной деформации εПР=0.05%. Это замечание относится и фермам при узловой нагрузке.

По результатам полученных деформаций ε3 и ε4 находят нейтральную ось балки и по значению ε1MAX и с помощью нейтральной оси графически находят ε2MAX. По результатам измеренных значений ε2MAX и нагрузкам Fi строят диаграмму «Fi2MAX» в виде прямой по трем точкам, как показано на фиг.2, определяют доверительные интервалы деформаций для каждой ступени нагружения (по формуле для нормального закона распределения случайной величины), по точкам которых строят прямые - доверительные границы, проводят прямую параллельную оси F через абсциссу ε=εПР, где εПР=0.05% (до предела упругости), через точку пересечения прямых F-ε и ε=εПР проводят прямую перпендикулярную оси ординат F до пересечения с доверительными границами, из точки пересечения этой прямой с прямой верхней доверительной границы проводят прямую параллельную оси нагрузки F до прямой нижней доверительной границы, ордината этой точки и будет нижним значением предельной нагрузки , верхнее значение предельной нагрузки определяется с учетом масштаба по ординате отсекаемой горизонтальной прямой, проходящей через точку пересечения диаграммы F-ε и прямой ε=εПР, а несущую способность конструкции определяют в виде интервала значений .

Значение координаты 0' соответствует абсциссе, равной предельному значению деформации предела упругости 0.05%. Используя доверительные интервалы трех точек ε1, ε2, ε3 находим доверительные границы 0-4 и 0-4' и, как следствие, нижнее и верхнее значение предельной нагрузки , .

Принимаем равномерное распределение случайной величины , находящейся в интервале , по которому строим график этого распределения и по заданной вероятности (обеспеченности) находим графически с учетом масштаба значение предельной нагрузки (см. фиг.3) или по формуле , Рпр - предельная обеспеченность (вероятность) значения Fпр по критерию (условию) прочности.

Пример:

Определим несущую способность (предельную нагрузку) балки в виде сосредоточенной силы FПР, приложенной в середине пролета шарнирно опертой балки или в виде равномерно распределенной нагрузки qПР. Будем ее нагружать сосредоточенной силой, направленной противоположно собственному весу и весу оборудования (или другой эксплуатационной нагрузки).

Балка из трубы прямоугольного сечения 40×25×1.5 по ГОСТ 8645-68, длина балки L=2 м, момент инерции в плоскости изгиба I=1.87 см4, момент сопротивления W=1.49 см3, расчетное сопротивление стали Ry=240 МПа, предел упругости примем σy=210 МПа.

Определим теоретически (без учета снижения несущей способности за время эксплуатации для реальных конструкций) несущую способность балки:

Ступени нагружения примем для исключения больших погрешностей при малых нагрузках 54, 58, 60 кг или 529.7, 569.0, 588.6 Н соответственно. Со стороны растянутых и сжатых волокон рядом с опасным сечением, а также со стороны сжатых волокон в середине пролета (опасное сечение) установим средства измерения деформации.

На каждой ступени нагружение проводят 5-10 раз и экспериментально находят деформации в стенках балки, положение нейтральной оси и, как следствие, относительные деформации в опасном сечении (в середине пролета, в месте приложения экспериментальной нагрузки). Полученные относительные деформации в опасном сечении составили 30.1×10-5, 38.5×10-5, 43.1×10-5 и доверительные интервалы 1.5×10-5, 2×10-5, 2.6×10-5 соответственно. Значение предельной деформации равно 0.05%, т.е. 50×10-5. Построим диаграмму «нагрузка-деформация» и по ней определим , (см. фиг.5).

По результатам экспериментов определено, что Или распределенная нагрузка т.о.

Предлагаемый способ удобен, безопасен и производителен при определении несущей способности конструкции, находящейся в эксплуатации, например для стропильных ферм, балок кровли, пролетный строений мостов и т.п.

Список литературы

1. Патент RU 2006814 C1 Российская Федерация: МПК G01N 3/00. Способ неразрушающего контроля прочности строительных конструкций / Уткин B.C.; заявитель и патентообладатель Вологодский государственный технический университет. - №4943119/28; заявл. 06.06.1991; опубл. 30.01.1994. Бюл. №2.

2. Патент RU 2161788 C2 Российская Федерация: МПК G01N 3/10. Способ неразрушающего контроля несущей способности строительных конструкций / Уткин B.C., Голикова Л.В.; заявитель и патентообладатель Вологодский государственный технический университет. - №99102310/28; заявл. 04.02.1999; опубл. 10.01.2001. Бюл. №1.

3. Патент RU 2006813 С1 Российская Федерация: МПК G01N 3/00. Способ неразрушающего контроля прочности строительных конструкций / Уткин B.C.; заявитель и патентообладатель Вологодский государственный технический университет. - №4920713/28; заявл. 19.03.91; опубл. 30.01.94. Бюл. №2.

Способ неразрушающего определения несущей способности строительных конструкций, по которому на поверхности испытуемой конструкции определяют места возможных максимальных деформаций, в этих местах испытуемую конструкцию нагружают 5-10 раз механической нагрузкой, не превышающей предельного значения, и определяют величину деформации в этих местах, а о прочности конструкции судят с учетом значений величины деформации, отличающийся тем, что нагружают конструкцию механической нагрузкой, направленной противоположно собственному весу и весу эксплуатационной нагрузки, тремя ступенями нагружения, измеряют деформации в конструкции при каждом нагружении (устанавливают измерители деформации на верхней и нижней гранях балок, ферм, рам) в опасном и рядом с опасным сечениях, находят положение нейтральной оси в сечении элемента, с помощью измеренных деформаций в опасном сечении (в месте приложения испытательной нагрузки) и с использованием нейтральной оси строят эпюру деформаций в этом сечении, по результатам трех средних значений относительных деформаций ε и соответствующим им нагрузкам F изображают точки в осях координат ε-F, по которым строят среднюю прямую зависимости нагрузки от относительной деформации, по оси абсцисс диаграммы откладывают измеренные относительные деформации ε, в качестве предельной деформации используют ее значение, равное 0,05%, которое соответствует пределу упругости материала, до которого диаграмму F(ε) принимают прямой линией, несущую способность конструкции определяют в виде интервала значений , строят равномерный закон распределения предельной нагрузки FПР как случайной величины по известным значениям и , несущую способность конструкции определяют по заданной вероятности (обеспеченности), как абсциссу в законе распределения с соответствующей обеспеченностью (вероятностью).



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к испытательной технике, к испытаниям на прочность. .

Изобретение относится к области исследования прочностных свойств твердых материалов путем приложения к ним механических усилий. .

Изобретение относится к испытательной технике, к испытаниям на прочность. .
Изобретение относится к технике испытаний, в частности к способам испытаний конструкционных материалов на усталость, позволяющим контролировать восстановление усталостной прочности деталей в процессе их ремонта и после него.

Изобретение относится к испытательной технике, позволяющей проводить неразрушающие определения прочностных характеристик элементов конструкций по величине их саморазогрева при циклическом нагружении.

Изобретение относится к механическим испытаниям изделий, в частности к вибрационным усталостным испытаниям деталей. .

Изобретение относится к области измерений и, в частности, к способам контроля механических характеристик композиционных материалов путем исследования электромагнитной эмиссии при трещинообразовании и разрушении.

Изобретение относится к области строительства и предназначено для определения оптимального числа нагелей в двухслойных деревянных конструкциях балочного типа. .

Изобретение относится к области машиностроения (литейное производство), более конкретно к способам определения механических свойств материалов литых стержневых деталей, а именно к способам определения динамических: модуля упругости Юнга и коэффициента Пуассона.

Изобретение относится к испытательной технике. .

Изобретение относится к испытанию материалов на циклическую прочность (выносливость) и определение параметров их кривой усталости и может быть использовано для определения усталостных характеристик материала в разных областях долговечности

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к установкам для испытания трубчатых образцов на усталость при сложном напряженном состоянии, и может быть применена в заводской и исследовательской лаборатории

Изобретение относится к характеризации сопротивления усталостным напряжениям детали, начиная с ее профиля поверхности

Изобретение относится к установкам для ударных нагружений образцов горных пород, моделей из эквивалентных материалов

Изобретение относится к области испытаний деталей машин, а более точно касается способа определения скорости роста трещин от циклических нагрузок в образцах, вырезанных из деталей авиационных двигателей

Изобретение относится к испытательной технике, к испытаниям на прочность

Изобретение относится к исследованию физико-механических свойств металлов и может использоваться в различных областях промышленности

Изобретение относится к технике испытаний на усталость, а именно к способам испытаний материалов, в частности асфальтобетона, на усталость при циклических динамических воздействиях

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к устройствам для лабораторных испытаний усталостного изнашивания прецизионных пар дизельной топливной аппаратуры
Наверх