Испытания сооружений динамической эксплуатационной нагрузкой

При обследовании эксплуатируемых сооружений, на конструкции которых действует динамическая нагрузка, экспериментальные исследования, как правило, проводятся на восприятие эксплуатационной нагрузки. Задача исследования — зарегистрировать параметры, характеризующие работу конструкций под нагрузкой и сравнить их с допускаемыми значениями. В отличие от требований, предъявляемых к конструкциям, воспринимающим только статическую нагрузку, при исследовании динамики сооружения необходимо не только оценить его работу по предельным состояниям, но и проверить соблюдение условий, специфических для эксплуатации конструкций, подверженных колебаниям.

Динамические колебания оказывают на человека отрицательное воздействие и могут вызвать тяжелые физиологические расстройства. Нормативные документы устанавливают предельно допустимые значения параметров динамических колебаний (вибраций) вредных для человека. Основными критериями оценки вибраций являются их амплитуды и частоты и продолжительности их воздействия.

Жесткие требования по допустимому уровню вибрации предъявляются к промышленным и гражданским зданиям, в которых используются оборудование и приборы, чувствительные к вибрациям. К таким зданиям относятся медицинские учреждения, промышленные сооружения оптико-механической и электронной отраслей и т.д. В этих зданиях необходимо проведение специальных мероприятий по уменьшению вибрации, которые могут быть успешно осуществлены только при наличии информации, полученной в ходе обследования с регистрацией параметров вибраций при динамических испытаниях эксплуатационной нагрузкой.

К наиболее часто встречающимся видам воздействий, при которых проводятся динамические испытания эксплуатационной нагрузкой, относятся:

вибрационная нагрузка, создаваемая работой механизмов с неуравновешенной массой, например, от компрессоров, станков, грохотов, вибростолов и т.д.;

  • • динамическая составляющая ветровой нагрузки, которая вводится в расчет высотных сооружений и многоэтажных зданий (мачты, дымовые трубы, многоэтажные здания высотой более 40 м и др.);
  • • ударная нагрузка от действия копров, молотов ит.д.;
  • • подвижная нагрузка от транспорта, мостовых кранов и т. д.

Динамическим испытаниям эксплуатационной нагрузкой

предшествуют все операции первого этапа обследования и все подготовительные работы, связанные с проведением самих испытаний, за исключением работ по созданию испытательной нагрузки. Цель испытаний заключается не только в сравнении измеренных параметров с предельными, но и в представлении данных по оценке конструктивных динамических свойств сооружения. Для этого проводят пробные испытания ударной нагрузкой с регистрацией и последующей обработкой записи собственных колебаний конструкции. Это дает возможность уточнить расчетную схему конструкции, определить ее динамические упругие и неупругие характеристики, установить место наибольших динамических перемещений. Пробные испытания в режиме собственных колебаний могут быть проведены с использованием простейших приборов для записи колебаний.

В динамических испытаниях эксплуатационной нагрузкой используются более сложные приборы для получения и обработки информации. Планируя эксперимент, следует стремиться к минимальному числу используемых приборов и располагать их в наиболее ответственных сечениях. Для получения синхронной записи изменения динамических параметров во времени необходимо согласование работы измерительно-регистрационной аппаратуры.

В большинстве случаев оценка параметров вибраций проводится на основании сравнения их с предельно допустимыми из условий обеспечения нормальной жизнедеятельности людей и работы технологического оборудования, т. е. рассматриваются колебания низкого уровня, которые не оказывают влияния на несущую способность и трещиностойкость конструкций. В том случае, когда динамические перемещения и деформации велики, когда при обследовании обнаружены повреждения несущих элементов и в то же время отсутствуют ограничения на вибрации, связанные с обеспечением технологического режима, задачи обследования значительно усложняются, потому что прочностные свойства конструкции определяются явлениями усталостного характера. Постепенное накопление повреждений, вызванное периодически повторяющимися нагрузками для различных материалов, проявляется по-разному: развитие одиночных усталостных трещин в металлических конструкциях (сосуды давления, мачты, опоры ЛЭП и т.д.); микро- и макротрещинообразование железобетонных и каменных конструкциях (несущие конструкции открытых крановых эстакад, мосты, фундаменты копров, здания в сейсмических районах и т.д.). Оценка прочностных показателей конструкций возможна в этих случаях методами теории надежности с привлечением аппарата механики разрушения. Для этого проводится дополнительное обследование с целью определения вероятности безотказной работы конструкции в течение требуемого периода эксплуатации. Долговечность реальных конструкций, работающих в условиях многократно повторяющейся нагрузки, связана с выносливостью конкретного строительного материала и особенностями напряженно-деформированного состояния в исследуемой области конструкции. Достоверный прогноз безотказной работы конструкции может быть основан только на экспериментальных данных.

Для металлических конструкций — это данные о деформациях в зоне концентрации напряжений при нагружении эксплуатационной нагрузкой, параметры усталостной трещины на момент обследования, прочностные характеристики материала (например, К критический коэффициент концентрации напряжений). Эти данные позволяют определить статистические характеристики случайной величины скорости роста трещины и рассчитать вероятность безотказной работы.

Прогноз вероятности безотказной работы обследуемой железобетонной конструкции должен быть построен на опытных данных о характере деструкции бетона при испытаниях эксплуатационной динамической нагрузкой; на информации о прочностных свойствах бетона, арматуры и ее сцепления с бетоном в условиях малоциклового нагружения.

Для железобетонных конструкций, работающих в условиях малоциклового нагружения, количественная оценка вероятности безотказной работы основана на анализе условий разрушения только бетона. Для этого за короткий период эксплуатации необходимо определить параметры изменения интенсивности мик-ротрещинообразования в бетоне. В отличие от металлических конструкций, где малоцикловое нагружение приводит к распространению макротрещин, в бетоне многократно повторное нагружение вызывает микротрещинообразование и, следовательно, ослабление структуры, что на определенной стадии приводит к спонтанному росту магистральных макротрещин. Методика оценки остаточного ресурса бетонного элемента построена на определении с помощью акустических методов статистических параметров микротрещинообразования при эксплуатационном нагружении, проведении экспресс-испытаний на малоцикловое нагружение (при высоких уровнях максимальных напряжений) образцов бетона обследуемой конструкции, расчете по этим данным вероятности безотказной работы.

Помимо основной задачи — оценки опасности динамических воздействий для сооружения — при испытаниях реальных конструкций эксплуатационной нагрузкой изучаются также и статистические характеристики самих нагрузок. С этой целью проводятся специальные длительные экспериментальные исследования, в которых по реакции конструкции (перемещениям и деформациям) судят о характере воздействия.

В качестве примера рассмотрим методику определения статистических характеристик режима нагружения подкрановых конструкций. Коэффициент надежности по нагрузке от мостовых кранов, назначаемый согласно нормативным документам, является окончательным расчетным показателем, который определяется в результате статистического анализа данных о режимах нагружения. Значения этого коэффициента зависят от принимаемой вероятности безотказной работы конструкций. По своей структуре коэффициент надежности является функцией нескольких параметров, которые могут рассматриваться только как случайные величины. Это — масса грузов, частота их подъема и число проездов крана, положение крана и тележки относительно рассматриваемой конструкции, сочетание нагрузок от нескольких кранов. Совокупность многих случайных факторов делает сложным экспериментальное решение задачи по оценке каждого из факторов с последующим определением общего выражения для коэффициента надежности по нагрузке. В связи с этим представляется целесообразным использование методики интегральной схемы — нагружение подкрановых балок вертикальной и горизонтальной нагрузкой.

На рис. 3.2 показана схема измерения усилий и деформаций в одном из сечений подкрановой балки. После регистрации этих параметров можно рассчитать усилия от вертикальной и горизонтальной эквивалентных нагрузок. В этой схеме для интегральной оценки вертикальной крановой нагрузки Рь используются экспериментальные данные по тензорезисторам Т1 —Т2’; Т3 —Т4 о значениях деформаций в нижнем поясе 4 расчетного сечения подкрановой балки. Для измерения горизонтальных сил, передаваемых от колеса 2 крана рельсу 3, применяются электромеханические динамометры кольцевого типа (с парами тен-зорезисторов Т, — Т2, Т3 — Т4), установленные взамен элемента крепления верхнего пояса подкрановой балки к колоннам. Калибровка измерительной системы в значениях вертикальной и горизонтальной нагрузки мостового крана проводится в ходе испытаний при известном положении крана с различными грузами на крюке. В дальнейшем разнообразные сочетания значения и положения нагрузок от мостовых кранов могут быть сведены к значениям нагрузки по эквивалентной схеме. Статистический анализ информации, полученной в ходе отработки методики испытаний, показал, что изменение вертикальных и горизонтальных нагрузок можно рассматривать как случайный процесс. Статистические характеристики этого процесса могут быть вычислены по реализациям конечной длительности, причем продолжительность испытаний может быть ограничена временем 400 ч.

Коэффициенты надежности по нагрузке при исследованиях режимов нагружения подкрановых конструкций в действующих цехах металлургических комбинатов могут быть определены по данным испытаний эксплуатационной нагрузкой. Необходимо отметить, что рассмотренная методика натурных испытаний находит применение в исследовательских работах по уточнению расчетных нагрузок, а также при проведении экспресс-испытаний по определению действительных коэффициентов надежности по нагрузкам в конкретных условиях эксплуатации строительных конструкций нового или реконструируемого производства.

Определение вертикальной и боковой нагрузки от мостового крана

Рис. 3.2. Определение вертикальной и боковой нагрузки от мостового крана

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >