Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Испытание зданий и сооружений

Оглавление

1 Измерительные приборы для статических испытаний и область их применения 1

Силоизмерительные приборы 1

2 Приборы для линейных измерений 4

Клинометры 11

Клинометры с отвесом - маятником 12

Оптический клинометр 12

Тензометры 13

Механические тензометры 13

Электромеханические тензометры 13

Струнные тензометры 14

Тензорезисторные тензометры 15

Сдвигомеры 18

1 Измерительные приборы для статических испытаний и область их применения

При испытании строительных конструкций статическими нагрузками измеряются как действующая сила, так и основные виды деформаций: прогибы (перемещения), продольные фибровые деформации, углы поворота конструкций и ее элементов, сдвиги отдельных элементов конструкции или их волокон относительно друг друга, кроме того, контролируется изменение напряженного состояния и свойств самого материала конструкции под действием внешней нагрузки.

При статических испытаниях используют прибор, как с непосредственным отсчетом значений измеряемой величины, так и измерительные преобразователи, позволяющие осуществлять измерения дистанционно, что на практике существенно расширяет возможности инженерного эксперимента Указанные преобразователи позволяют автоматизировать процесс измерения и регистрации значений контролируемых величин и выполнять измерения в местах, недоступных для приборов с непосредственным отсчетом.

При значительном количестве установленных датчиков и приборов, а также в случае необходимости проведения неоднократных измерений, на практике в настоящее время возможно создание следящих электронных систем с автоматическим опросом и автоматической регистрацией показаний приборов с непосредственным вводом исходных данных проводимых испытаний в ЭВМ и проведением математической обработки полученных результатов.

Силоизмерительные приборы

При испытании строительных конструкций статическими нагрузками, создаваемыми грузовыми механизмами - домкратами, лебедками, талями или талрепами; измерение интенсивности нагрузки осуществляют динамометрами. На практике различают два вида динамометров стационарные 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 подразделяются на пружинные, гидравлические и электрические. В зависимости от способа регистрации измеряемой силы различают динамометры со стрелочным указателем, со счетным приспособлением и записывающие.

Динамометры со стрелочным указателем используют, главным образом, для измерения статических усилий, а счетно-регистрирующие и записывающие - для переменных усилий. Динамометры, имеющие записывающие устройства, называются динамографами. Конструктивные особенности образцовых пружинных динамометров, гидравлических и электрических представлены на рис. 1,2,3.

В полевых и лабораторных условиях действующую силу, прикладываемую 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 относительную деформацию е 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 определить по следующей формуле:

∙A∙E ()

В последнее время все шире стали применяться электромеханические динамометры с тензорезистерной измерительной системой, представленной на рис.3.

Рассмотренные динамометры обладают очень высокой чувствительностью, широким диапазоном измеряемых усилий. Одновременно они очень компактны по размерам и сопрягаемы с существующей вычислительной техникой, позволяющей автоматизировать все операции, связанные с измерениями и обработкой получаемых результатов.

а б

Рис. 1. Образцовые динамометры: а – сжатие, б - растяжение

1 - корпус, 2 - нижняя сита, 3 - верхняя пята, 4 – флажки, 5 - рабочая игла, 6 - индикатор

Рис. 2. 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. 3. Конструктивные особенности электромеханических динамометров: а - для измерений растягивающих усилий, б, в - для измерений сжимающих усилий

2 Приборы для линейных измерений

Диапазон и требуемая точность измерений. При испытаниях деревянных конструкций, в особенности большепролетных, приходится измерять перемещения порядка нескольких сантиметров. Перемещения различных точек металлических конструкций колеблются в зависимости от размеров испытываемого объектов - от нескольких миллиметров до десятков миллиметров. Наиболее жесткими являются железобетонные конструкции, где перемещения относительно не большие.

Особенно повышенные требования предъявляются при наблюдении за характером затухания приращения перемещений во времени в ходе выдерживания нагрузки. В большинстве случаев при этом необходимы измерения с точностью: порядка миллиметра - для деревянных конструкций; десятых и сотых миллиметра - для металлических конструкций; а в отдельных случаях и даже тысячных миллиметра - для железобетонных несущих и ограждающих конструкций.

Для удовлетворения всех этих требований и достижения максимальной объективности и достоверности выполненных измерении на практике необходимы приборы с высокими метрологическими характеристиками.

Прогибомеры. Приборы для измерения перемещений называют прогибомерами. В зависимости от назначения прогибомеры могут иметь различную конструкцию. В одних случаях это могут быть простейшие устройства, позволяющие замерять перемещения загруженных строительных 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 устройство, представляющее собой две планки, одна из которых закреплена на железобетонном основании, а другая - на конструкции. По взаимному смещению 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 точность измерений можно довести до 0,1 мм (рис. 4а).

Для измерения деформаций и перемещений с точностью до 0,1...0,2 мм применяют рычажные прогибомеры. При этом перемещение одного плеча рычага равно перемещению конструкции, а перемещение другого плеча, фиксируемое на рабочей шкале, а К раз больше (рис. 4б, в). Недостаток таких элементарных приборов связан с тем, что они имеют небольшое увеличение (К10...20) и одновременно в системе возможны различные люфты и неточности в соотношении плеч.

Рис. 4. 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 строительных конструкций возможны варианты установочных схем, показанные на рис.8 и рис 9.

Для более точных измерений применяют прогибомеры, в которых используется редукторная кинематическая схема. В настоящее время в статических испытаниях широко используются три разновидности прогибомеров: прогибомер Максимова, прогибомер Емельянова и прогибомер Аистова, кинематические схемы которых представлены на рис. 5,6,7.

Рис.5. Кинематическая схема прогибомера Максимова:

1 - нерастяжимая нить;

2 - рабочий шкив;

3 - рабочий диск:

4 - регистрирующая стрелка

Рис.6. Кинематическая схема прогибомера Емельянова:

- нерастяжимая нить;
- рабочий шкив;
- рабочий диск;
- регистрирующая стрелка

Рнс.7. Кинематическая схема прогибомера Аистова:

1 - нерастяжимая нить, 2 - рабочий шкив; 3 - рабочий диск; 4 - регистрирующая стрелка

В прогибомере Максимова (рис.5) перемещение гибкой нерастяжимой нити 1. охватывающей шкив 2 и соответствующей такому же перемещению испытываемой конструкции, вызывает поворот диска 3 на угол и стрелки 3 на угол k (k - соотношение диаметров диска и фрикционного барабана). При этом точность отсчета по рабочей шкале достигает 0,05 мм. Диапазон измерений - неограниченный. Одним из главных недостатков прибора является наличие в кинематической схеме прибора - нежесткого фрикционного соединения.

В прогибомере Емельянова (рис.6) передача вращения осуществляется с помощью шестерен. При этом шкив шестерен и стрелки находятся в параллельных плоскостях. По одной шкале отмечаются целые миллиметры, по другой - до 0,01мм. При этом диапазон измерений в одном приборе также неограничен. Люфт зубчатого соединения устраняется с помощью пружины разворачивающей шестерни в противоположные стороны.

У прогибомера Аистова (рис.7) принципиальная кинематическая схема практически аналогична предыдущей схеме. Однако используемые 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 I мм).

При наличии доступной неподвижной точки - схема на рис.8а (прибор внизу) и схема на рис.8, б (прибор наверху). Для учета влияния осадок опор требуется установка дополнительных прогибомеров в опорных сечениях. При испытаниях строительных конструкций над водой, при отсутствии быстрого ее течения, на дно может быть опущен тяжелый якорь (рис.8в), к которому предварительно прикрепляется нижний конец соединительной нити (проволоки).
При недоступности или большом расстоянии до неподвижных точек, а также с целью исключения влияния осадок опор на практике достаточно часто применяют систему шпренгелей. В частности, на рис.9а показан подвешенный проволочный шпренгель, который оттягивается вниз вертикальной проволокой с пружиной, обеспечивающей практическое постоянство натяжения шпренгеля и тем самым требуемую неподвижность точки крепления рабочей проволоки 4 и прогибомера 3.

На рнс.9б показан шпренгель, оттягиваемый подвешенным грузом, а на рис.9, в видно, как постоянство натяжения шпренгеля обеспечивается пружиной, соединяющей его вершину с верхним поясом испытываемой балки.

Пример установки прогибомеров для измерения горизонтальных перемещений испытываемого объекта приведен на рис.10.

Одновременно следует отмстить, что на результаты измерений перемещений, с помощью рассмотренных прогибомеров значительное влияние 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 измерительного стержня в испытываемую конструкцию или закрепляются на испытываемой конструкции с упором подвижного стержня в какую-либо неподвижную точку. Поэтому очень часто индикаторы называют контактными прогибомерами.

На практике применяют следующие индикаторы:

• с ценой деления 0.01мм и пределом измерения 0...50мм; 0...25мм;
0...10мм; 0...5мм; 0...2мм;

• с ценой деления 0,001мм и пределом измерения 0...1мм.

а б в

Рис. 8. Установка прогибомеров с проволочкой связью:

а - установка прогибомеров внизу;

б - установка прогибомеров вверху;

в - установка прогибомера с якорем.

1 - балочная система;

- опоры;
- прогибомер;
- рабочая нить;

5 - вертикальные опоры;

6 - якорь.

а б в

Рис. 9. 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

- балочная система;
- опоры;
- прогибомер;
- шпренгель;
- пружина;

6 - рабочая нить(проволока);

7-груз.

Индикатор часового типа (рис.11) состоит из цилиндрического корпуса, внутри которого размешена 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 предусматривается вторая малая шкала со стрелкой.

Схемы установки индикаторов часового типа для испытаний строительных конструкций могут быть идентичны ранее описанным схемам установки обычных прогибомеров с проволочной связью.

При больших расстояниях между индикаторами и точками упора между ними помещают жесткие соединительные элементы, например легкие штанги (рис.12). Наличие подобного рода буферных элементов связано, однако, с возможностью возникновения дополнительных ошибок измерений в результате хотя и малых, но трудно устранимых дискретных смешений и обмятий в дополнительных соединенных, коробления деревянных реек, изменения длины связующих металлических элементов при переменной температуре и т.д.

Возможны колебания также буферных реек при порывах ветра, что делает более целесообразным применение проволочной связи с индикатором по схеме, представленной на рис.12.

Электромеханические измерители перемещений. В настоящее время существует большое количество электромеханических систем измерений, позволяющих преобразовать механические перемещения в электрические сигналы, усиливаемые и передаваемые на любые расстояния от места проведения статических испытаний строительных конструкций. Указанные системы сопрягаемы с любой вычислительной техникой, что позволяет обрабатывать полученные сигналы по запланированной программе и одновременно управлять проводимыми экспериментами.

В частности, к подобным измерителям перемещений относятся различные конструктивные решения, основанные на преобразовании механических перемещений в изменение их емкости, либо индуктивности или электрического сопротивления. Все вышеперечисленные системы преобразования относятся к пассивным.

Наряду с пассивными системами в технике статических испытаний существуют и активные системы преобразовании, основанные на генерировании непосредственно самим преобразователем электрических сигналов. Подобные системы используются в так называемых «следящих» системах, называемых сельсинами.

Сельсины - это генераторные электрические устройства для синхронной 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 механического прогибомера.

Рис. 10. Установка прогнбомеров для измерения горизонтальных перемещений стенки резервуара:

- стенка резервуара;
- временная опора:

3 - прогибомеры.

4 - рабочая нить;

5 - противовес;

6 - элемент крепления

Рис. 11. Кинематическая схема индикатора часового типа:

1 - рабочий шток с рейкой- кремальерой;

2 - возвратная пружина;

3 - зубчатые шестерни;

4 - система ликвидации люфта

Рис.12. Схема установки индикаторов при удаленных измерениях перемещений:

а- с использованием рейки-удлинителя:

б- с применением проволочной связи;

индикатор;
рейки-удлинители:
проволочная растяжка;
пружины;
опора;

6 - буферная неподвижная опора

На практике наиболее часто для дистанционного измерения перемещений используют электромеханические измерители перемещений на базе применения тензопреобразователей (рис.13а, б), которые позволяют измерять перемещения в диапазоне от 0 до 50 мм с тонкостью, превышающей 0.001мм.

Рис. 13. 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

Клинометры

Углы наклона элементов, подлежащие определению при испытаниях 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 приспособления, применяемые для измерения столь малых углов, должны обладать высокой чувствительностью.

При загружениях за пределами расчетных нагрузок, и в особенности при приближении к стадии разрушения, угловые перемещения начинают резко возрастать, и для определения их оказываются более целесообразны геодезические методы и фотосъемка.

Ниже рассмотрим основные типы клинометров и приспособлений для измерения малых угловых перемещений.

Способ жесткого рычага

К наблюдаемому сечению крепится металлическая консоль (рис. 14). Линейные перемещения двух точек консоли, обусловленные наклоном сечения, измеряют с помощью прогибомеров. Зная разность перемещений на базе В определяем угол наклона а.

Рис. 14. Измерение угла наклона при помощи жесткой консоли; 1 - испытываемый элемент; 2 - жесткая консоль: 3 - соединительная проволока; 4 и 5 - прогибомеры; 6 - неподвижные опоры для крепления прогибомеров; а₁ и а₂ - линейные перемещения, измеренные прогибомерами

Клинометр с уровнем

Кинематическая схема их показана на рис. 15. Высокочувствительный уровень 2 приводится в горизонтальное положение вращением микрометренного винта 3. Отсчеты берутся по шкале барабана 4 микрометренного винта. Разность отсчетов при положениях, показанных на рис. 2.19. а и б, дает значение искомого угла а.

Рис. 15. Клинометры с уровнем: 1 - исследуемая конструкция; 2 - высокоточный уровень. 3 - микрометренный винт. 4 - барабан микрометренного винта со шкалой; 5 - шарнирная опора

Клинометры с отвесом - маятником

Схема прибора показана на рис. 16. Отвес 2 опирается при помощи призмы 3 на опору, расположенную внутри корпуса 4 клинометра. Положение отвеса фиксируется микрометренным винтом 5. Отсчеты берутся по шкале 6 барабана винта с ценой деления в 5''. Разность отсчетов, соответствующих положениям рис. 16, а и б дает определяемый угол наклона.

Во избежание смещения отвеса микрометренным винтом контакт их отмечается электросингналом (при соприкосновении острия винта 5 с отвесом 2 замыкается слаботочная электрическая цепь).

Рис. 16. Клинометр с отвесом-маятником: 1 - 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 преимуществом представленного клинометра по сравнению с другими.

Оптический клинометр

К наблюдаемой точке прикрепляется небольшое зеркальце (отсюда и другое название - «зеркальный способ»). Зеркало 1 (рис. 17) ориентируется так чтобы с помощью зрительной трубы 2 (обычно, геодезического инструмента) мог быть сделан отсчет по шкале 3 измерительной рейки, расположенной рядом с инструментом.

При изменении наклона исследуемого элемента на угол а зеркальце проворачивается вместе с ним на тот же угол, что сопровождается поворотом «оптического рычага» СВ на угол 2α.

Зная расстояние L между рейкой и Зеркальцем и изменение а отсчетов по рейке, находим значение а из соотношения

Для облегчения ориентировки зеркало шарнирно крепится к установочной 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 исключена установка сравнительно тяжелых клинометров или крепление консолей с прогибомерами.

Рис. 17. Схема измерения углов наклона с помощью оптического клинометра:

1 - зеркало в положении до деформации и 1 - после деформации; 2 - зрительная

труба; 3 - шкала зрительной рейки; а = АВ - разность отсчетов по рейке до и после деформации

Тензометры

Тензометры применяются для измерения линейных деформации поверхностных волокон элементов конструкций при статических испытаниях.

Величина измеренной тензометром деформаций может быть использована для вычисления приращения напряжения по закону Гука при известном значении модуля упругости материала или для определения модуля упругости при известном значении напряжения.

По конструктивному признаку можно выделить четыре разновидности тензометров: механические, электрические, струнные, тензорезисторные.

Механические тензометры

Механические тензометры представлены рядом типов различного конструктивного оформления. Остановимся несколько подробнее на одном наиболее распространенном рычажном тензометре (Гугенбергера), схематически показанном на рис. 18.

а б

Рис. 18. Кинематическая схема рычажного тензометра а - начальное положение;

6 - смешение 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 - передаточный стерженек; 8-стрелка; 9-ось вращения стрелки; 10-шкала; l-база тензометра

Как видно из рисунка, при деформации исследуемого материала конец стрелки 8 тензометра перемещается вдоль шкалы 10 с миллиметровыми делениями в новое положение с^/ (на схеме взят случай сжатия).

Увеличение k прибора определиться при этом из соотношения

где a, b, r, s- плечи рычагов.

∆- изменение расстояния между точками опирания 2 и 4.

Чаще всего тензометры данного типа выпускаются с тысячекратным увеличением, что при базе l = 20 мм дает возможность оценивать определяемую деформацию до = 10^-4. Имеются образцы данных тензометров с увеличением и несколько тысяч раз и базой до 2 мм используемых при измерениях, например, в зонах концентрации напряжений.

Электромеханические тензометры

Наиболее распространенными в настоящее время среди указанных тензометров нашли электромеханические тензометры Аистова (рис.19).

Рис. 19. Кинематическая схема электромеханического тензометра: 1 - основание тензометра; 2 - направляющая; 3 - нижняя база тензометра; 4 - опорный 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 винта; 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 прибора разделена электроизоляционной прокладкой на две части 3 и 6. К нижней поверхности основания 1 прикреплена направляющая 2, по которой при настройке прибора на нужную базу перемещается опорный нож 4. Фиксация 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 проходит микрометрический винт 8 с укрепленным на нем лимбом 14. Конец винта, обращенного к перу, имеет форму конуса.

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 ганка 12, служащая, как и у клинометра Анстова, для устранения люфта между муфтой и винтом. Провода от источника питания подсоединяются к клеммам 7.

Испытание зданий и сооружений 📙 Контрольная → 🆔 39045