Испытания конструкций и сооружений искусственно создаваемой вибрационной нагрузкой

В процессе вибрационных испытаний деформации и перемещения в различных точках конструкции изменяются во времени по гармоническому закону. Различают испытания в режиме собственных и вынужденных колебаний. Испытания в режиме собственных колебаний в натурных условиях воспроизводятся значительно проще. Однако использование результатов таких испытаний ограничивается возможностью создания и исследования одной, в лучшем случае двух форм собственных колебаний, хотя для решения многих практических задач эта информация является вполне достаточной. Испытания в режиме вынужденных колебаний сложнее в исполнении, но ценнее, информативнее по своим результатам. Вынужденные колебания создаются в около-резонансных режимах и обеспечивают исследование различных форм колебаний, в том числе пространственных. Характерной особенностью резонансных испытаний является возможность создания больших динамических деформаций и перемещений в элементах конструкции.

При натурных вибрационных испытаниях определяют следующие основные параметры: форму, частоту и декремент колебаний конструкции. При исследовании влияния вибраций на прочностные свойства материалов, элементов и соединений в качестве исходных параметров динамической нагрузки используют коэффициент асимметрии цикла, среднее и амплитудное значения цикла, выраженные в терминах номинальных напряжений или реальных с учетом их концентрации.

Поведение конструкции характеризуется бесконечно большим числом форм колебаний, так как реальные системы обладают бесконечно большим числом степеней свободы. Однако практическое значение имеют лишь первые две-три формы, отвечающие по своим частотам характеристикам действующих нагрузок. На рис. 3.3 а, б показаны виброграммы, полученные в ходе резонансных испытаний с помощью вибромашины, установленной в четверти пролета балки на двух опорах. Различные формы колебаний наблюдаются при совпадении частоты возмущающей силы с частотой собственных колебаний по соответствующей форме. Для изгибаемой шарнирно опертой балки отношение значении спектра частот соответствует показателю т, где т — номер формы.

Частота колебаний^ измеряется в Гц и связана с периодом колебаний Тсоотношением ^=1/ Т.

В ходе вибрационных испытаний решаются следующие задачи: • определение динамического коэффициента для воздействий с известными динамическими характеристиками;

Виброграммы динамических испытаний

Рис. 3.3. Виброграммы динамических испытаний

  • • определение состояния несущих конструкций эксплуатируемых сооружений;
  • • определение упругих динамических характеристик строительных материалов;
  • • неразрушающий заводской контроль качества строительных изделий;
  • • определение влияния циклического нагружения на снижение прочностных свойств материалов и конструкций (предел выносливости, малоцикловая усталость).

Испытания по определению динамического коэффициента установившихся вынужденных колебаний проводятся в случаях, когда на конструкцию предполагается установка агрегатов, создающих динамические воздействия. В паспорте агрегата указываются динамические характеристики: масса, амплитудное значение динамической силы, рабочая частота, время запуска и остановки двигателя. Для расчета динамического коэффициента помимо указанных параметров необходимо знать значения собственных частот несущих элементов конструкций и соответствующих этим частотам декрементов колебаний. Расчет конструкций на вибрационную нагрузку проводится с целью определения величины динамических перемещений и деформаций и последующей проверки соблюдения требований нормальной эксплуатации.

Динамический коэффициент показывает, во сколько раз динамические перемещения и напряжения в системе с одной степенью свободы отличаются от статических, рассчитанных на действие амплитудного значения динамической силы. С учетом неупругих сопротивлений коэффициент динамичности определяется по формуле

где р = 0 /и>0 — отношение круговой частоты возмущающей силы к круговой частоте собственных колебаний конструкции.

Для определения динамического коэффициента необходимо найти в результате вибрационных испытаний частоту и декремент собственных колебаний. Значение декремента колебаний зависит от частоты и амплитуды вибраций, поэтому динамические испытания рекомендуется проводить в условиях, максимально приближенных к реальным. В связи с этим испытания в резонансном режиме являются предпочтительными.

По результатам вибрационных испытаний проводится расчет динамических напряжений и перемещений конструкций на действие вибрационной нагрузки от предусмотренного проектом оборудования. Если рассчитанные параметры окажутся выше допускаемых, необходимо разработать инженерное решение по улучшению динамических характеристик конструкции.

Для снижения уровня вибрации конструкции возможны два варианта решения, которые могут быть осуществлены путем изменения параметров динамической нагрузки на конструкцию и изменения параметров самой конструкции.

Для реализации первого варианта решения существуют следующие способы:

  • • изменение частоты динамической нагрузки;
  • • изменение проектного положения агрегата на перекрытии (при вертикальной динамической нагрузке размещать агрегат следует у опор перекрытия, при горизонтальной нагрузке — вдоль балок перекрытия);
  • • динамическая балансировка вращающейся части механизма со смещенным относительно оси вращения центром массы (осуществляется закреплением дополнительной массы на вращающейся части для полного или частичного погашения динамического усилия);
  • • активная виброизоляция агрегата путем уменьшения динамической составляющей воздействия на перекрытие.

Изменение параметров конструкции для реализации второго варианта решения проводится с учетом влияния этих параметров на частоты свободных колебаний и вывода системы из резонансной области при воздействии гармонической динамической нагрузки. Влияние на частоту свободных колебаний конструкций обеспечивается:

  • • изменением ее конструктивной схемы, т. е. введением связей, пересмотром конструктивного решения опорных узлов, уменьшением пролета при введении дополнительных опор;
  • • изменением жесткости конструкции за счет трансформации поперечного сечения элементов;
  • • устройством постамента под агрегат, который в зависимости от необходимого уменьшения или увеличения частоты может быть запроектирован массивным без прочной связи с конструкцией, легким и жестким, прочно прикрепленным к перекрытию.

При разработке конструктивных решений по уменьшению вибраций необходимо учитывать, что уменьшение частоты свободных колебаний конструкции всегда сопровождается увеличением прогибов и напряжений в ней, вызванных статической нагрузкой. В связи с этим требуется проведение дополнительного статического расчета.

Вибрационные (резонансные) испытания широко используются для оценки состояния эксплуатируемых сооружений. Этот неразрушающий метод контроля позволяет устанавливать частоты для первых пространственных форм колебаний конструкции и определять соответствующие декременты колебаний. Эти параметры используются в качестве показателей степени повреждения конструкций. Особенно актуальна эта задача для сооружений, подверженных сейсмическим нагрузкам. Исследования каркасных и крупнопанельных зданий показали, что динамические параметры пространственной конструкции весьма чувствительны к повреждениям, вызванным сейсмической нагрузкой. В испытаниях, проведенных на реальных сооружениях и крупномасштабных моделях, были установлены количественные соотношения между уровнем сейсмической нагрузки и динамическими параметрами конструкции, получившей повреждения, причем сейсмическая нагрузка моделировалась вибрационным воздействием. Характер повреждений при сейсмическом и вибрационном воздействии идентичен, а перемещения и внутренние усилия в конструкции при возмущениях, передающихся через грунт и в случае возбуждения колебаний в уровне перекрытия, практически не отличаются.

Динамические испытания строительных изделий в режиме собственных или вынужденных колебаний являются одним из составных элементов комплексного неразрушающего контроля качества заводской продукции. Наиболее широкое применение получили вибрационные испытания на заводах сборного железобетона, проводимые для контроля качества изгибаемых конструкций, в том числе и предварительно напряженных. Оценка прочностных и деформативных показателей конструкции основана на предварительно выявленных статистических зависимостях указанных характеристик с параметрами неразрушающих вибрационных, ультразвуковых, магнитных методов. Эти зависимости носят название градуировочных и строятся по результатам серии испытаний статической нагрузкой и неразрушающим методом.

Косвенный неразрушающий контроль прочности, жесткости и трещиностойкости сборных железобетонных элементов может относиться либо к определенным зонам объекта исследования, либо ко всему объекту в целом. При вибрационных испытаниях измеренный параметр является обобщающей характеристикой сопротивления конструкции. В связи с этим для получения градуировочных зависимостей вибрационного метода требуется проведение статических испытаний конструкции в целом, тогда как аналогичная зависимость ультразвукового метода строится по результатам испытаний образцов бетона. Методика заводского вибрационного контроля предполагает проведение серии предварительных градуировочных испытаний десяти изделий из партии. В дальнейшем неразрушающий контроль изделий может быть выборочным или сплошным.

Принципиальная схема методики резонансных испытаний заводских изделий не отличается от схемы испытаний образцов и натурных конструкций в режиме вынужденных колебаний. Для массового контроля качества изделий сборного железобетона необходимы специальные автоматизированные установки — стенды, позволяющие возбуждать колебания основного тона в массивных конструкциях. При резонансных испытаниях образцов в равной степени используются продольные, крутильные и из-гибные колебания. В испытаниях заводских конструкций реализуется схема изгибных колебаний. Информативными параметрами неразрушающего заводского вибрационного контроля качества являются собственная частота колебаний железобетонного элемента и декремент колебаний. При резонансных испытаниях натурных сооружений и образцов строительного материала в качестве контролируемого параметра используется, как правило, частота колебаний основного тона. Декремент колебаний является характеристикой неупругих свойств исследуемого объекта. Он зависит не только от потерь энергии колебаний в конструкции или образце, но и от трения на опорах и сопротивления внешней среды.

Для контроля качества сборных железобетонных конструкций используются также и испытания в режиме свободных колебаний. На рис. 3.4 представлена схема проведения вибрационных испытаний железобетонной предварительно напряженной ребристой плиты. Для возбуждения колебаний используется ударное устройство 2, создающее фибровые напряжения в бетоне не менее 5% от предельных. Механические колебания преобразуются датчиками 3 в электрический сигнал, который подается на

Схема вибрационных испытаний сборной предварительно

Рис. 3.4. Схема вибрационных испытаний сборной предварительно

напряженной плиты

регистрирующий прибор 5. Питание осуществляется через стабилизатор 7 и выпрямитель 6. Значения частоты и декремента определяются по осциллограммам свободных колебаний.

В отдельную группу динамических испытаний следует выделить вибрационные испытания на усталость. Динамические испытания при повторно-переменной нагрузке с заданной асимметрией цикла проводят с целью определения предела выносливости, условий разрушения в результате малоцикловой усталости. Условия разрушения исследуемого элемента в результате малоцикловой усталости материала выражаются семейством кривых, построенных в координатах «максимальные напряжения — число циклов до разрушения».

Разрушение металлов при циклическом воздействии носит ярко выраженный локальный характер и происходит в три стадии: образование усталостной трещины, устойчивое ее развитие, разрушение элемента с трещиной критической длины. Для бетонных и каменных элементов характерны также три стадии усталостного разрушения, однако, развитие макротрещин происходит в результате накопления повреждений во всем рабочем объеме. Для аналитического описания процесса усталостного разрушения используется аппарат механики разрушения и теории вероятностей, характеризуемый соответствующими параметрами: длина трещины, коэффициент концентрации напряжений, скорость роста трещины, статистические параметры нагрузок, материала, напряжений в зоне концентрации, количество микротрещин в единице объема и т. д. Эти параметры контролируются при проведении вибрационных испытаний на усталость. Усталостные испытания в большом объеме проводятся на образцах материала, фрагментах и узлах конструкции.

Испытания на усталость являются наиболее трудоемким и сложным видом динамических испытаний. Рассматривая многообразие задач и факторов, можно предложить следующий перечень возможных вариантов усталостных испытаний, выстроенных по степени усложнения методики эксперимента:

  • • испытания гладких образцов строительных материалов;
  • • испытания образцов с концентраторами напряжений, исследование условий зарождения усталостной трещины;
  • • испытания стандартных образцов с трещиной;
  • • испытание фрагментов конструкций и узлов в сложно напряженном состоянии с учетом остаточных напряжений;

испытание фрагментов конструкций с учетом температуры среды;

испытания на случайные повторно-переменные нагрузки.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >