Similar
Text
ОБСЛЕДОВАНИЕ
И ИСПЫТАНИЕ
СООРУЖЕНИЙ
ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава 1.Обследование и испытание кбнструкций,
зданий и сооружений 7
Глава 2.Методы и средства приложения силовых
нагрузок при исследовании несущей
способности строительных объектов 27
Глава З.Методология экспериментальных
исследований 42
Глава 4.Методы и средства измерений в инженерном
эксперименте 53
Глава б.Неразрушающие методы испытания
строительных конструкций 91
Глава 6. Обследования конструкций и сооружений 134
Глава 7.Испытания конструкций, зданий и
сооружений 154
Глава 8.Испытания строительных конструкций
динамической нагрузкой 174
Глава Э.Организация контроля качества в
строительстве 189
Глава Ю.Общие понятия о моделировании
конструкций 197
Глава 11.Моделирование работы сооружений при
различных воздействиях 209
Глава 12.Методы изучения напряжений и давлений в-
грунтах 229
Глава 13.Особенности обследования и испытания
сооружений атомных и тепловых
электростанций 241
О. V. Luzhin, А. В. Zlochevsky,
I. A. Gorbunov, V. A. Volohov
Inspection and Testing of Civil
Engineering Structures
Contents
Chapter 1.Inspections and Testings of structures, Buil-
dings and Civil Engineering Projects 7
Chapter 2. Means and Methods of Load Application in the
Investigation of the Bearing Capacity of Civil
Engineering Projects 27
Chapter 3. Methodology of Experimental Investigation 42
Chapter 4. Means and Methods of Measuring in the
Engineering Experiment 53
Chapter 5. Nondestructive Methods of Testing the Building
Structures 91
Chapter 6.1nspection of Building Structures and Civil
Engineering Projects 134
Chapter 7.Testing of Structures, Buildings and Civil
Engineering Projects 154
Chapter 8.Testing of Building Structures by Dynamic
Loads 174
Chapter 9.Organization of Quality Control in Building
Industry 189
Chapter lO.General Ideas of Building Structures
Simulation 197
Chapter 11.Simulation of Structures Behaviour under
Different Loadings 209
Chapter 12. Methods of Analysing Stresses and Pressures in
Soils 229
Chapter 13.Specific Features of Inspection and Testing of
Nuclear and Thermal Power Stations 241
От живого созерцания к абстрактному мышлению
и от него к практике — таков диалектический
путь познания истины, познания объективной
реальности.
Ленин В И. Поли, собр соч., т 29, с 152—153
ПРОМЫШЛЕННОЕ
И ГРАЖДАНСКОЕ
СТРОИТЕЛЬСТВО
Редакционная коллегия:
В. Н. БАЙКОВ
Е. И. БЕЛЕНЯ
В. Н. БОГОСЛОВСКИЙ
П. Г. БУГА
А. В. ЗАХАРОВ
В. А. КАСАТКИН
С. И. КОПЬЕВ (ЗАМЕСТИТЕЛЬ ГЛАВНОГО
РЕДАКТОРА)
Н. Н. ЛЕОНТЬЕВ
О. В. ЛУЖИН (ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР)
В. Н. МАСТАЧЕНКО
А. Б. ПУХОВСКИЙ (ОТВЕТСТВЕННЫЙ
СЕКРЕТАРЬ)
С. Б. УХОВ
Т. М. ШТОЛЬ
Б. А. ЯГУПОВ
О.В. Лужин, А.Б.Злочевский,
И.А. Горбунов, В.А. Волохов
ОБСЛЕДОВАНИЕ
И ИСПЫТАНИЕ
СООРУЖЕНИЙ
Под редакцией д-ра техн, наук, проф. О. В. Лужина
Допущено
Министерством высшего и среднего
специального образования СССР
в качестве учебника для студентов
высших учебных заведений, обучающихся
по специальности «Промышленное и
гражданское строительство»
Москва Стройиздат 1987
ВВК 38.1 Н
0—25
УДК 69.058(075.8)
Рецензенты: кафедра металлических и деревянных конструк-
ций Киевского инженерно-строительного института и д-р техн,
наук, проф. Ю. Н. ХРОМЕЦ (ЦНИИПромзданий Госстроя
СССР)
Обследование и испытание сооружений: Учеб.
0-25 для вузов/О. В. Лужин, А. Б. Злочевский,
И. А. Горбунов,-Jk А. Волохов; Под ред. О. В. Лу-
жина.— М.л:<Сфройиздат, 1987.—263 с.: ил.
Приведены основное данные о методах и средствах обследования и испыта-
ния строительных конструкций и сооружений.Рассмотрены современные методы
контроля качества изготовления и монтажа строительных конструкций, даны мето-
ды натурных иЫодельных исследований, указана область эффективного использо-
вания современной вычислительной техники > •
Для студентрв.вузов, обучающихся по специальности «Промышленное и граж-
данское строительство».
3202000000— 538
О ----------------- 17—87
047(01)—87
ББК 38.112
© Стройиздат, 1987
ПРЕДИСЛОВИЕ
В Основных направлениях эко-
номического и социального развития
СССР на 1986—1990 годы и на период
до 2000 года ставятся задачи о карди-
нальном повышении уровня строитель-
ного производства, рациональном ис-
пользовании сырьевых ресурсов, корен-
ном улучшении качества продукции.
Особое внимание уделяется техническо-
му перевооружению действующих пред-
приятий, существенно возрастает доля
средств, направленных на реконструк-
цию зданий и сооружений.
Решение поставленных задач непо-
средственно связано с более полным
изучением действительного состояния
исследуемых конструкций. Как след-
ствие углубленного изучения действи-
тельной работы конструкций и соору-
жений возникает возможность построе-
ния расчетных моделей, которые позво-
ляют более полно отобразить напря-
женно-деформированное состояние
строительных конструкций.
Построение расчетных моделей воз-
можно лишь при глубоком изучении
поведения реальных объектов, которое
позволяет дать заключение о соответ-
ствии между ними.
В связи с отмеченным возникает
актуальная проблема’об установлении
взаимосвязи экспериментальных и
теоретических исследований. В основе
изучения поведения строительных кон-
струкций стоит эксперимент. Чтобы
гарантировать достоверность результа-
тов, полученных при проведении экспе-
риментальных исследований, необходи-
мо поставить в соответствие полу-
ченные результаты определенным тре-
бованиям, предъявляемым к метроло-
гическому обеспечению эксперимента.
Особую значимость в настоящее
время приобретает внедрение фунда-
ментальных наук в основу изучения
данных, получаемых в результате про-
ведения эксперимента. Необходимость
совершенствования современных мето-
дов расчета строительных конструк-
ций обусловлено внедрением в практи-
ку методов теорий вероятностей, на-
дежности, математической статисти-
ки.
Успешное развитие теоретических
методов невозможно без получения
экспериментальной информации, соб-
ранной и обработанной в соответ-
ствии с требованиями математической
статистики. В связи с этим возрастают
требования к точности и единству
измерения физических величин, харак-
теризующих свойства и состояния
строительных материалов, конструкций
и сооружений на всех технологичес-
ких стадиях: проектирование, изго-
товление, транспортировка, монтаж,
эксплуатация, реконструкция.
Роль обследования и испытания
конструкций на всех этих этапах
чрезвычайно велика. Результаты испы-
тания материалов и изучение работы
конструкций дают определенную ин-
формацию проектировщику о прочности
материалов и действующих нагрузках.
При изготовлении изделий осуществля-
ется инструментальный контроль ка-
чества, позволяющий существенно по-
высить культуру производства. Методы
испытания позволяют выявить те допол-
нительные изменения состояния кон-
струкций, которые появляются при
транспортировании. На стадии монтажа
и приемки в эксплуатацию готовых
зданий и сооружений объективную ин-
формацию об их состоянии можно
6
Предисловие
получить только при использовании
современной измерительной техники.
В процессе эксплуатации и рекон-
струкции зданий и сооружений возни-
кает необходимость их обследования,
что осуществляется в настоящее время
с использованием современной аппара-
туры. Таким образом, роль курса
«Обследование и испытание сооруже-
ний» в оценке свойств и состояния
строительных материалов, конструкций,
зданий и сооружений очень велика.
В нем изучаются методы и средства
экспериментального исследования сос-
тояния различных строительных объек-
тов. Излагаемый в учебнике материал
основан на тех знаниях, которые сту-
дент получил в области математики
и физики, строительных материалов,
сопротивления материалов и строитель-
ной механики, а также в курсах метал-
лических, железобетонных, каменных
конструкций, конструкций из дерева и
пластмасс.
Учебник содержит 13 глав, которые
образуют три составные части. Главы
1—5, 10 и 11 содержат материал,
связанный с методами и средствами
экспериментальных исследований.
В главах 6—9 даны методы обследо-
вания конструкций, зданий и сооруже-
ний. В главах 12, 13 отражена спе-
цифика экспериментального изучения
свойств, состояний оснований и фунда-
ментов, зданий, сооружений электри-
ческих и атомных станций.
Главы 1, 2, 5, 11 написаны О. В. Лу-
жиным, главы 3, 4, 10 — А. Б. Зло-
чевским, главы 6—9 — И. А. Горбуно-
вым, главы 12 и 13 — В. А. Волоховым.
Авторы выражают благодарность
сотрудникам кафедры металлических и
деревянных конструкций Киевского ин-
женерно-строительного института до-
центам, канд. техн, наук В. А. Влади-
мирскому и Я. А. Березинскому и
проф., д-ру техн, наук Ю. Н. Хром-
цу за ценные замечания, которые учте-
ны авторами.
ОБСЛЕДОВАНИЕ И ИСПЫТАНИЕ
КОНСТРУКЦИЙ, ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
1. 1. Цели и задачи
обследования
и испытания сооружений
Цели и задачи рассматрива-
емой дисциплины — разработка мето-
дов и средств, предназначенных для
качественной и количественной оценки
показателей, характеризующих свой-
ства и состояния функционирующих
объектов, а также опытного изучения
процессов, протекающих в них, выявле-
ния экспериментальным путем кон-
структивных и эксплуатационных
свойств материалов, элементов кон-
струкций, зданий и сооружений и уста-
новления их соответствия техническим
требованиям.
Обследование строительных кон-
струкций, зданий и сооружений содер-
жит в себе методы контроля качества
изготовления и монтажа элементов
строительных конструкций, обеспечи-
вающие соответствие объекта проект-
ным значениям и отображение дей-
ствительной работы систем. Так, на за-
водах железобетонных изделий выпус-
каемые железобетонные сплошные па-
нели для перекрытия жилых и общест-
венных зданий согласно соответствую-
щему ГОСТу должны изготовляться в
соответствии с рабочими чертежами и
удовлетворять определенным техни-
ческим требованиям. Устанавливаются
допускаемые отклонения от проектных
размеров по длине, ширине, толщине,
неплоскостности, разности длин диаго-
налей, смещению закладных деталей,
толщине защитного слоя. Материалы,
применяемые для приготовления бето-
на, должны удовлетворять требованиям
стандартов на эти материалы и обеспе-
чивать получение бетона заданных
классов по прочности и марок по моро-
зостойкости. Толщина защитного слоя
бетона для рабочей арматуры должна
соответствовать значению, указанному
в рабочих чертежах. Нижняя поверх-
ность панели перекрытия должна быть
подготовлена под окраску, на ней не
допускаются местные наплывы бетона,
жировые и ржавые пятна, раковины
и открытые воздушные поры, а сталь-
ные закладные детали и выпуски арма-
туры должны быть защищены от кор-
розии.
Изучение состояния монтируемой
или эксплуатируемой конструкции при
работе в реальных условиях обеспе-
чивается теми же методами, что и при
контроле качества их изготовления, но
зачастую возникает ситуация, когда
для эксплуатируемого объекта отсут-
ствует проектная и рабочая документа-
ция, тогда их восстановление связано
с изучением реальных условий работы
системы. К подобной ситуации можно
отнести и тот случай, когда необходимо
определить работоспособность системы
с учетом отклонения ее параметров
от проектных.
Повышенные требования предъяв-
ляются к методам обследования при
анализе причин аварий в результате
повреждений конструкций в процессе
монтажа и эксплуатации и катастроф—
аварий, повлекших за собой человече-
ские жертвы. Проводимые обследова-
ния строительных конструкций и соору-
жений позволяют выявить наиболее
характерные дефекты и разработать
рекомендации по уточнению методов
расчета тех или иных конструкций,
совершенствованию их конструктивных
схем, технологии изготовления и монта-
жа строительных конструкций.
Эффективность методов обследова-
8
Г лава 1 Обследование и испытание конструкций, зданий и сооружений
ния строительных конструкций зданий
и инженерных сооружений может быть
проиллюстрирована на примере разра-
ботки антисейсмических мероприятий
при строительстве зданий в г. Газли.
Основой для разработки мероприятий
послужили материалы обследования
построек после происшедшего в 1976 г.
в этом городе землетрясения. Здания,
построенные с использованием разрабо-
танных антисейсмических мероприя-
тий, при вновь происшедшем в 1984 г.
землетрясении получили лишь частич-
ные повреждения. Происшедшее в
1985 г. землетрясение в г. Мехико
разрушило более 500 зданий, в том чис-
ле около 40 высотных, тем не менее
ряд высотных зданий, находящихся
в сейсмоактивной зоне, не получили
существенных повреждений, так как
были построены с учетом конструк-
тивных решений, снижающих сейсми-
ческие эффекты. При землетрясении
в 1985 г. в г. Кайраккуме (Ле-
нинабадской обл.) пострадали от раз-
рушения корпуса зданий первой очере-
ди Коврового комбината, спроектиро-
ванного в 50-е годы без учета ан-
тисейсмических мероприятий. Здания,
построенные позже с учетом антисейс-
мических мероприятий, не получили
повреждений. История донесла до на-
ших дней информацию о катастрофи-
ческих землетрясениях, унесших боль-
шое число человеческих жизней в ре-
зультате разрушения зданий и соору-
жений: при землетрясении в провин-
ции Шаньси (Китай) в 1556 г. по-
гибло 830 тыс. человек, в Лиссабоне
(1755 г.) —60 тыс. человек, в Месси-
йе (О. Сицилия) в 1908 г. — 100 тыс.
человеков Кванто (Япония) в 1923 г.—
140 тыс. человек.
Основная задача испытаний соору-
жений заключается в установлении
соответствия между реальным поведе-
нием строительной конструкции и ее
расчетной схемой. Инженерные соору-
жения представляют собой достаточно
сложные механические системы,
состоящие из большого числа элемен-
тов, работающих в условиях сложных
напряженно-деформируемых состояний
и образующих пространственные кон-
струкции. Несмотря на существенное
развитие современной строительной
механики, на широкое привлечение к
расчетам быстродействующей вычисли-
тельной техники при рассмотрении
конкретных объектов, в том числе и
строительных конструкций, возникает
необходимость идеализации расчетных
схем, которые учитывают лишь глав-
ные, основные свойства, характеризую-
щие состояние реальной конструкции.
Кроме того, поведение строительных
конструкций характеризуется рядом
факторов, носящих случайный харак-
тер, например прочностные характери-
стики даже такого однородного мате-
риала, как сталь, подвержены разбро-
су. Так, анализ пределов текучести
для стали марки Ст. 3, проведенный
Н. С. Стрелецким, показал, чтопредел
текучести может изменяться от 200
до 320 МПа. Еще больший разброс
прочности имеют бетон и древесина.
Значительной изменчивостью характе-
ризуются нагрузки, действующие на
строительные конструкции, здания и
сооружения: собственный вес, ветер
и снег, крановые нагрузки и др.
Процесс изготовления отдельных
элементов конструкций, их транспорти-
ровка и монтаж также влияют на воз-
можность появления случайных откло-
нений от заданных размеров. Эти от-
клонения регламентируются соответ-
ствующими технологическими допуска-
ми.
Цель испытаний — выявление пове-
дения инженерных сооружений, кон-
струкций и материалов, из которых
изготовлены элементы. Испытания мо-
гут проводиться как в лабораторных,
так и в реальных условиях, как на
моделях, так и на реальных объектах.
1.2. Методы обследования
и испытания сооружений
В условиях ускорения научно-
технического прогресса происходит ин-
тенсивное совершенствование различ-
1 2 Методы обследования и испытания сооружений 9
ных технологических процессов. Это
влечет за собой замену устаревшего
оборудования на новое, высокопроизво-
дительное, работающее на более вы-
соких скоростях, что может привести
к повышению нагрузок, передаваемых
на строительные конструкции. Созда-
ние гибких производств связано с из-
менением архитектурно-планировочных
решений для эксплуатируемых зданий
и сооружений. Реконструкция старо-
го жилого фонда и приведение уров-
ня его комфортности к современным
требованиям обусловливают необходи-
мость оценки действительного состоя
ния жилых зданий. Перед инженерами-
строителями ставится задача оценки
состояния эксплуатируемых строитель-
ных конструкций, зданий и сооруже-
ний, решения вопроса о возможности
их дальнейшей эксплуатации или ре-
конструкции и усиления. Решение пос-
тавленных задач связано с обследо-
ванием конструкций и сооружений,
результаты которого позволяют подго-
товить соответствующие рекомендации.
На их основе инженеры-проектиров-
щики разрабатывают необходимые кон-
структивные решения. Обследование
строительных конструкций состоит из
трех основных этапов:
первоначальное ознакомление с
проектной документацией, рабочими и
исполнительными чертежами, актами на
скрытые работы;
визуальный осмотр объекта, уста-
новление соответствия объекта проекту,
выявление видимых дефектов (наличие
трещин, протечек, отслоений защитно-
го слоя в железобетонных элемен-
тах, коррозии металлических элемен-
тов, прогибов элементов, состояние сты-
ков, сварных, болтовых и заклепоч-
ных соединений и т. д.), составление
плана обследования сооружения, прове-
дение комплекса исследований неразру-
щающими методами.
анализ состояния сооружения и раз-
работка рекомендаций по устранению
выявленных дефектов.
Ознакомление с проектной и испол-
нительной документацией позволяет
дать оценку принятым конструктивным
решениям, выявить элементы сооруже-
ний, работающие в наиболее тяжелых
условиях, установить значения действу-
ющих нагрузок.
Визуальная оценка сооружения дает
первую исходную информацию о состоя-
нии обследуемой конструкции, позво-
ляет судить о степени износа элемен-
тов конструкции, дает возможность
конкретизировать дальнейшее проведе-
ние испытания. В первую очередь это
связано с применением неразрушающих
методов испытаний, т. е. таких методов,
которые не приводят к разрушению
отдельных элементов и конструкции в
целом. Такие испытания могут прово-
диться как при статическом нагруже-
нии конструкции, так и при динами-
ческом воздействии нагрузок. Комплекс
таких испытаний включает определение
значений геометрических параметров
сооружения (пролеты, толщины, высо-
ты и т. д.), прочностных и структурных
свойств материала, толщины защитно-
го слоя бетона, расположения армату-
ры, прогибов и деформаций элемен-
тов, динамических амплитуд перемеще-
ний, периодов колебаний конструкций,
ускорений отдельных точек и пр.
При обследовании сооружений ши-
роко применяются методы инженерной
геодезии, с помощью которых измеря-
ются осадки зданий и сооружений,
их сдвиги, параметры трещин и дефор-
мационных швов, прогибы элементов
конструкций. Методами инженерной
фотограмметрии определяются переме-
щения точек и деформации элементов
конструкций при статических и дина-
мических воздействиях. В последнее
время эффективно развиваются методы
лазерной интерференции.
Аналогичные методы используются
при контроле качества изготовления
элементов строительных конструкций
и их монтажа на строительных пло-
щадках.
Контроль качества изготовления
элементов строительных конструкций
производится с использованием нераз-
рушающих и разрушающих методов
10
Глава 1 Обследование и испытание конструкций, зданий и сооружений
испытаний. Однако подвергать каждое
изделие испытаниям до разрушения
является абсурдным, так как при этом
не выйдет за пределы ворот комбината
или завода ни одно изделие, которое
будет использовано в практике строи-
тельства, хотя при этом информация
о действительной работе изделия будет
обладать 100%-ной обеспеченностью.
Неразрушающий метод не всегда дает
полную характеристику испытуемого
объекта, поэтому эти два метода
используются в совокупности. Если
провести неразрушающие и разрушаю-
щие испытания определенного количе-
ства объектов, а затем сопоставить
результаты испытаний, то можно уста-
новить определенную взаимосвязь меж-
ду ними.
Итак, испытания конструкций зда-
ний и сооружений являются состав-
ным элементом обследования, но по
своей методологии, по аппаратурному
обеспечению и по методам обработки
представляют самостоятельное направ;-
ление экспериментальной механики.
Цель этого направления состоит в соз-
дании методов и средств, позволяю-
щих на базе экспериментальных иссле-
дований получить объективную инфор-
мацию о свойствах конструкционных
материалов, поведении элементов кон-
струкций и действительной работе
сооружений. Никакой, даже самый
точный расчет, с точки зрения исполь-
зования вычислительной техники, не мо-
жет дать объективной информации о
действительном поведении реальных
систем.
В строительной механике, теории
упругости и пластичности, сопротивле-
нии материалов изучаются самые сов-
ременные методы расчета идеализиро-
ванных расчетных схем, но любой из
этих методов должен быть построен
на объективной информации, получен-
ной из опыта, и ни один из них не
может быть рекомендован к использо-
ванию для практических расчетов без
его экспериментальной проверки.
Парадоксальным является то, что в
рамках сформулированных расчетных
схем с использованием современных
ЭВМ можно получать результаты рас-
чета с погрешностью 10~8 и менее
(это определяется числом цифр значе-
ния величины, выдаваемой на цифро-
печать, или точностью выдачи информа-
ции на графопостроитель), тогда как
исходная, вводимая в расчет информа-
ция по нагрузкам, прочностным ха-
рактеристикам и отклонениям парамет-
ров действительного сооружения от его
расчетной схемы характеризуется пог-
решностью, реально определяемой в
пределах 20—10%. Это не снижает
роль современных методов теории рас-
чета сооружений, а лишь подчеркива-
ет необходимость взаимной увязки
точности методов расчета сооружений
с точностью исходных предпосылок,
определяемых экспериментом, и точ-
ностью получаемых результатов,
фиксируемых при проведении экспе-
римента.
Существенное влияние на формиро-
вание методов и средств испытания
конструкций оказывает характер изме-
нения внешних нагрузок, действующих
на строительные конструкции, здания
и сооружения. Здесь различают стати-
ческие нагрузки, которые постоянны
по значению либо медленно изменяют-
ся во времени, и динамические, изме-
няющиеся во времени.
Можно сформулировать три основ-
ные задачи, которые решаются с
помощью методов и средств испытания
строительных конструкций, зданий и
сооружений. К первой задаче следует
отнести определение теплофизических,
структурных, прочностных и деформа-
тивных свойств конструкционных мате-
риалов и выявление характера внеш-
него воздействия, передаваемого на
конструкции.
Вторая задача связана с сопоставле-
нием расчетных схем строительных
конструкций, усилий и перемещений,
которые определяются расчетным
путем, ' с соответствующими
усилиями и перемещениями, возника-
ющими в реальной конструкции или ее
модели.
1 3. Основы метрологии и стандартизации в строительстве I I
Третья задача — идентификация
расчетных моделей, которая получила
развитие лишь в последние годы. Эта
задача связана с синтезом расчетных
схем, который следует из анализа
результатов проведенных эксперимен-
тальных исследований. Теоретически
решение этой задачи смыкается с проб-
лемами кибернетики, в частности с
проблемой «черного ящика». Однако
в отличие от классической постановки
проблемы при рассмотрении практиче-
ских задач известны некоторые харак-
терные параметры системы, к которым
можно отнести информацию о геомет-
рии конструкции в плане, определяемой
архитектурно-планировочными реше-
ниями, о типе или характере несущих
конструкций, о наборе конструктив-
ных элементов, применяемых в соору-
жениях. На основании анализа экспе-
риментально полученных данных о
внешних воздействиях и реакции систе-
мы (прогибы, деформации, скорости,
ускорения) в рамках заданной расчет-
ной модели выявляются ее параметры.
1.3. Основы метрологии
и стандартизации
в строительстве
В условиях ускорения научно-
технического прогресса в строительстве
особое значение придается унификации
строительных конструкций, деталей и
узлов, повышению качества изготовле-
ния и монтажа строительных конструк-
ций. Решение поставленных задач тре-
бует существенного повышения роли
метрологии и стандартизации в строи-
тельстве.
Метрология — это наука об изме-
рениях, методах и средствах обеспе-
чения их единства и способах дости-
жения требуемой точности. В метроло-
гии рассматриваются: общая теория
измерений, единицы физических вели-
чин и их системы, методы и средства
измерений, методы определения точ-
ности измерений, основы обеспечения
единства измерений и единообразия
средств измерений, методы передачи
размеров единиц от эталонов или образ-
цовых средств измерений рабочим
средствам измерений.
Метрология является научной осно-
вой метрологического обеспечения, под
которым понимают установление и при-
менение научных и организационных
основ, технических средств, правил и
норм, необходимых для достижения
единства и требуемой точности измере-
ний. Метрологическое обеспечение
включает следующие системы:
государственных эталонов единиц
физических величин, обеспечивающую
воспроизведение единиц с наивысшей
точностью;
передачи размеров единиц физиче-
ских величин от эталонов всем сред-
ствам измерений с помощью образцо-
вых средств измерений и других средств
поверки;
разработки, постановки на произ-
водство и выпуска в обращение рабо-
чих средств измерений, обеспечиваю-
щих определение с требуемой точ-
ностью характеристик продукции, тех-
нологических процессов и других объек-
тов в сфере материального производ-
ства, научных исследований и других
видов деятельности;
стандартных справочных данных о
физических константах и свойствах ве-
ществ и материалов, обеспечивающих
достоверными данными научные иссле-
дования, разработку технологических
процессов получения и использования
материалов и конструкций.
Кроме того, в метрологическое обес-
печение входят:
государственные испытания или мет-
рологическая аттестация средств изме-
рений, предназначенных для серийного
или массового производства и ввоза их
из-за границы партиями, обеспечиваю-
щими единообразие средств измерений
при их разработке и выпуске в обра-
щение;
обязательная государственная и
ведомственная поверка средств измере-
ний, обеспечивающая единообразие
средств измерений при изготовлении,
эксплуатации и ремонте;
12
Глава 1 Обследование и испытание конструкций, зданий и сооружений
стандартные образцы состава и
свойств веществ и материалов, обес-
печивающие воспроизведение единиц
величин, характеризующих состав и
свойства веществ и материалов.
Определим основные понятия, свя-
занные с поверкой средств измерений.
Поверка средств измерений — опреде-
ление метрологическими органами пог-
решностей средств измерений и уста-
новление их пригодности к примене-
нию. Различают государственную
(производится органами государствен-
ной метрологической службы) и ве-
домственную (производится органами
ведомственных метрологических
служб) поверку средств измерений.
Метрологическая аттестация
средств измерений — исследование
средств измерений, выполняемое метро-
логическими органами для определения
метрологических свойств этих средств
измерений, и выдача документа с ука-
занием полученных данных.
Поверочная схема — утвержденный
в определенном порядке документ, уста-
навливающий средства, методы и точ-
ность передачи размера единицы физи-
ческой величины от эталона рабочим
средствам измерений. Различают обще-
союзные и локальные (отдельных ор-
ганов метрологической службы) пове-
рочные схемы.
Средства поверки — это технические
средства, необходимые для осуществле-
ния поверки средств измерений в соот-
ветствии с требованиями нормативно-
технических документов на методы и
средства поверки. Средства поверки
включают в себя рабочие эталоны,
образцовые средства измерений, в том
числе стандартные образцы и образцо-
вые меры, вспомогательные приборы,
устройства и материалы, поверочные
приспособления.
Средства измерений — это техничес-
кие средства, используемые при изме-
рениях и имеющие нормированные мет-
рологические характеристики. Они сос-
тоят из системы мер, измерительных
приборов и преобразователей, а также
измерительных * установок и систем.
Под измерительным прибором пони-
мают средство измерения, предназна-
ченное для выработки сигнала измери-
тельной информации в форме, доступ-
ной для непосредственного восприятия
наблюдения. Измерительный преобра-
зователь — средство измерения, пред-
назначенное для выработки сигнала из-
мерительной информации в форме,
удобной для передачи, дальнейшего
преобразования, обработки и хранения,
но не поддающейся непосредственному
восприятию наблюдением.
Измерение — это процесс нахожде-
ния какой-либо физической величины
с помощью технических средств и срав-
нения с эталоном. Измерение включает
следующие элементы: объект измере-
ния, свойства или состояние которого
характеризует измеряемая величина;
единицу измерения; техническое сред-
ство измерения, градуированное в выб-
ранных единицах; метод измерения;
регистрирующее устройство, восприни-
мающее результат измерения; оконча-
тельный результат измерения.
Измерения характеризуются рядом
параметров: погрешностью измере-
ния — разностью между истинными и
измеренными значениями величин; точ-
ностью измерения — степенью прибли-
жения результатов измерения к истин-
ному значению; достоверностью изме-
рения — вероятностью отклонения из-
мерения от истинного значения; диапа-
зоном измерений — областью значений
измеряемой величины, для которой
нормированы допускаемые погрешности
средств измерений; ценой деления шка-
лы — разностью значений величины,
соответствующей двум соседним от-
меткам шкалы; пределом измерений —
наибольшим и наименьшим значением
диапазона измерений; чувствитель-
ностью измерительного прибора —
отношением изменения сигнала на вы-
ходе измерительного прибора к вызвав-
шему его изменению измеряемой вели-
чины.
Различают три класса измерений:
особо точные, высокоточные и техни-
1 3 Основы метрологии и стандартизации в строительстве
13
ческие. Особо точные — связаны с
установлением эталона, высокоточные
измерения проводятся при градуирова-
нии измерительных систем, а также при
проведении измерений в особо ответст-
венных испытаниях. Технические —
применяются в практике испытаний
строительных конструкций.
Всякое измерение неизбежно связа-
но с погрешностями измерений. Пог-
решности, порожденные несовершен-
ством метода измерений, неточной
градуировкой и неправильной уста-
новкой измерительной аппаратуры, на-
зывают систематическими. Системати-
ческие погрешности исключают вве-
дением поправок, найденных экспери-
ментально. В настоящее время для
устранения систематических погрешно-
стей применяется микропроцессорная
техника. Случайные погрешности обус-
ловлены влиянием на результаты изме-
рений неконтролируемых факторов
(случайные колебания температуры,
вибрация и т. д.). Такие погреш-
ности оцениваются методами математи-
ческой статистики по данным много-
кратных измерений. При измерениях
могут возникать грубые ошибки, выз-
ванные неисправностью измерительных
систем, ошибками регистратора и т. д.
Эти ошибки также могут быть выявле-
ны методами математической статисти-
ки.
Проблемы метрологического обеспе-
чения измерений неразрывно связаны
с задачами, стоящими перед стандар-
тизацией. Стандартизация — это уста-
новление и применение правил для упо-
рядочения деятельности в определенной
области на пользу и при участии
всех заинтересованных сторон и, в част-
ности, для достижения всеобщей опти-
мальной экономии при соблюдении
функциональных условий и требований
техники безопасности. Объектами стан-
дартизации являются конкретная про-
дукция, нормы, требования, методы,
термины, обозначения и т. д., имеющие
перспективу многократного примене-
ния, используемые в науке, технике,
строительстве. В строительстве стан-
дартизации подлежат методы расчета
и проектирования конструкций и соору-
жений, требования к материалам и из-
делиям, допуски на стадии монтажа и
строительства конструкций зданий и
сооружений, методы испытаний и про-
ведения измерений, методы представле-
ния и обработки получаемых резуль-
татов измерений и т. д.
В зависимости от сферы действия
стандарты разделяются на четыре кате-
гории: государственные (ГОСТ),
отраслевые (ОСТ), республиканские
(РСТ) и стандарты предприятий
(СТП). Государственные стандарты в
области строительства и строительных
материалов утверждаются Госстроем
СССР.
В настоящее время проводится боль-
шая работа по стандартизации стра-
нами — членами Совета экономической
взаимопомощи (СЭВ), которая согла-
суется с задачами Комплексной прог-
раммы дальнейшего углубления и со-
вершенствования сотрудничества и раз-
вития социалистической экономической
интеграции стран — членов СЭВ.
Утвержденные странами — членами
СЭВ стандарты сокращенно обозна-
чаются СТ СЭВ.
В области строительства наряду со
стандартами действуют строительные
нормы и правила (СНиП). Эти доку-
менты содержат отдельные общие эле-
менты, но в целом они существенно
различны. СНиПы устанавливают тре-
бования ко всей строительной продук-
ции и содержат нормы строительного
проектирования, тогда как ГОСТы со-
держат требования к строительным ма-
териалам и изделиям массового произ-
водства, методам испытания материа-
лов и конструкций, измерений, обработ-
ки и представления результатов.
В зависимости от содержания стан-
дарты подразделяются на 13 отдель-
ных видов. С точки зрения освиде-
тельствования и испытания конструк-
ций и сооружений наибольший инте-
рес представляют следующие:
стандарты технических условий,
которые, в частности, содержат всесто-
14
Глава ] Обследование и испытание конструкций, зданий и сооружений
ронние требования к продукции при
ее изготовлении, поставке и эксплуата-
ции, регламентируют методы испыта-
ний, правила приемки;
стандарты технических требований,
которые нормируют показатели качест-
ва, надежности и долговечности продук-
ции, устанавливают срок службы
и т. п.;
стандарты методов испытаний, кото-
рые включают требования о порядке
отбора проб или образцов, методы
испытаний материалов и изделий, ис-
пользуемые для оценки качества про-
дукции. Эти стандарты обеспечивают
единство методов и средств испытаний.
В стандартах на методы испытаний
содержатся также требования к измери-
тельным приборам, инструментам и ус-
тановкам, используемым для контроля
показателей качества изделий;
стандарты правил приемки, марки-
ровки, упаковки, транспортирования и
хранения, которые регламентируют, в
частности, порядок приемки изделий,
вид и программу испытаний при прием-
ке.
В большинстве строительных стан-
дартов даны совмещающие данные,
свойственные стандартам нескольких
видов.
Стандарты существенно влияют на
темпы развития и уровень производ-
ства. Базируясь на последних дости-
жениях науки, техники и практическо-
го опыта, стандартизация во многом
не только фиксирует достигнутый уро-
вень производства, но и является
одним из рычагов прогресса науки и
техники.
1.4. Контроль качества
конструкций и сооружений
Одно из направлений стандар-
тизации связано с разработкой норм,
методов, правил контроля качества
изделий, которые определяют контроль
количественных и качественных харак-
теристик свойств продукции. Качество
продукции — совокупность свойств про-
дукции, обусловливающих ее пригод-
ность удовлетворять определенные
потребности в соответствии с ее назна-
чением. Показатель качества продук-
ции — количественная характеристика
ее свойств, входящих в состав ее ка-
чества, рассматриваемая применитель-
но к определенным условиям ее созда-
ния и эксплуатации или потребления.
Номенклатура показателей качества
зависит от назначения продукции.
При рассмотрении показателей качест-
ва продукции следует различать наиме-
нования (например, предел упругости
конструкционного материала) и их
численные значения.
Показатели качества продукции бы-
вают единичными, когда относятся
только к одному из ее свойств;
комплексными, когда относятся к не-
скольким. Обобщенный показатель ка-
чества продукции — комплексный по-
казатель качества продукции, относя-
щийся к такой совокупности ее свойств,
по которой принято решение оценивать
качество продукции. В частности, при
сравнительной оценке различных кон-
структивных решений взаимозаменя-
емых по размерам и нагрузкам плит
перекрытий в качестве обобщенного
экономического показателя можно при-
нять приведенные затраты, которые учи-
тывают расход материалов, стоимость
изготовления, транспортирования и
монтажа, устройство тепловодоизоля-
ционного ковра и т. п. Интегральный
показатель качества продукции также
является комплексным показателем,
отражающим соотношение суммарно-
го полезного эффекта от эксплуатации
или потребления продукта и суммарных
.затрат на ее создание и эксплуатацию
или потребление. Различают реально
достигнутые и базовые показатели
качества. Базовый показатель качества
продукции — показатель продукции,
принятой за исходную при сравни-
тельных оценках качества.
Во всех системах управления ка-
чеством продукции первостепенную
роль играет контроль качества. От его
совершенства, технического оснаще-
1.4 Контроль качества конструкций и сооружений
15
ния, аппаратурного обеспечения и ис-
полнения зависит эффективность всей
системы. Цель контроля качества про-
дукции — проверка соответствия пока-
зателей качества продукции уста-
новленным требованиям, которые могут
быть зафиксированы в стандартах,
технических условиях, договорах о
поставке, паспорте изделия и других
соответствующих документах.
Объектом контроля может являть-
ся продукция или технологический
процесс. Контроль осуществляется как
на стадии проектирования, так и на
стадии производства работ и эксплуата-
ции. Различают входной, операционный
и приемочный контроль. Входной
контроль связан с контролем продук-
ции поставщика, поступившей к потре-
бителю и предназначенной для исполь-
зования при изготовлении, ремонте или
эксплуатации продукции. Объектами
входного контроля могут быть проект-
ная документация, полуфабрикаты, из-
делия. Операционный контроль —
контроль продукции или технологиче-
ского процесса во время выполнения
или после завершения определенной
операции. Приемочный контроль связан
с контролем готовой продукции, по
результатам которого принимается ре-
шение о ее поставке или использова-
нии, или о вводе объекта в эксплуата-
цию.
Контроль может быть сплошным,
когда изучению подлежит каждый вы-
пускаемый объект, или выборочным,
когда испытанию подвергается лишь
некоторое количество обследуемой
продукции. Различают два основных
метода контроля: неразрушающий и
разрушающий. При разрушающем
контроле изделие доводится до такого
состояния, когда последующее его
использование исключается. Этот метод
связан только с выборочным контро-
лем качества.
По степени использования средств
контроля для получения первичной ин-
формации определяют следующие его
виды:
измерительный контроль — осу-
ществляется с обязательным приме-
нением средств измерения;
регистрационный контроль, связан-
ный с регистрацией числа проявления
изучаемых качественных признаков
продукции;
органолептический контроль, при
котором первичная информация вос-
принимается качественно посредством
только органов чувств, причем воз-
можно использование приборов, позво-
ляющих увеличить разрешающую спо-
собность или восприимчивость органов
чувств;
визуальный контроль — органо-
лептический контроль, осуществляемый
только органами зрения;
технический осмотр-контроль, осу-
ществляемый в основном при помощи
органов чувств и, в случае необходи-
мости, достаточно простыми средствами
контроля. Технический контроль обыч-
но включает детальное ознакомление
с проектной и исполнительной доку-
ментацией.
Существует несколько видов конт-
рольных испытаний продукции:
предварительные испытания, прово-
димые на опытных образцах продук-
ции для определения возможности их
предъявления на приемочные испыта-
ния;
приемочные испытания — контроль-
ные испытания опытных образцов про-
дукции, а также изделий единичного
производства, проводимые соответ-
ственно для решения вопроса о целе-
сообразности постановки на производ-
ство этой продукции или передачи ее
в эксплуатацию;
приемо-сдаточные испытания —
контрольные испытания готовой про-
дукции, проводимые при приемочном
контроле. Такие испытания, как пра-
вило, проводит изготовитель продук-
ции. Для продукции серийного изго-
товления при приемо-сдаточных испы-
таниях не проверяют комплектность и
качество технической документации, а
лишь решают вопрос о принятии или
отклонении контролируемой партии
продукции;
16
Глава 1 Обследование и испытание конструкций, зданий и сооружений.
периодические испытания проводят
периодически в объемах и в сроки,
установленные технической документа-
цией;
типовые испытания проводятся пос-
ле внесения изменений в конструкцию
или технологию изготовления для оцен-
ки эффективности и целесообразности
внесенных изменений;
аттестационные испытания осущест-
вляются с целью оценки уровня ка-
чества выпускаемой продукции при
ее аттестации.
Контрольные испытания различают
также по уровню исполнителей, ко-
торые их проводят: государственные,
межведомственные, ведомственные.
Большое внимание уделяется авто-
матизации контроля, что дает возмож-
ность своевременно обнаружить нару-
шение технологических режимов и воз-
действовать на технологический про-
цесс путем внесения корректировки в
отдельные этапы процесса. С этой целью
применяются как мини-ЭВМ, так и
микропроцессорная техника. Одно-
временно при этом развиваются статис-
тические методы контроля качества,
которые связаны с контролем опреде-
ленной выборки из генеральной сово-
купности, оценкой математического
ожидания изучаемого фактора, его дис-
персии и изменчивости, построением
доверительных интервалов. Для этой
цели используется математический
аппарат статистики, который включает
в себя дисперсионный, корреляционный
и регрессионный анализ, а также мето-
ды математического планирования экс-
перимента.
1.5. Понятия об оценке
надежности конструкций,
зданий и сооружений
Одной из главных задач обсле-
дования и испытания конструкций,
зданий и сооружений является выяв-
ление их действительного состояния и
прогнозирование возможности их
дальнейшей эксплуатации.. Эти пробле-
мы связаны с оценкой надежности
рассматриваемых систем.
Под надежностью понимается свой-
ство системы выполнять поставленные
перед нею функции в конкретных усло-
виях эксплуатации на рассматриваемом
интервале времени. Надежность явля-
ется комплексным свойством, которое
в зависимости от назначения объекта
и условий его эксплуатации может
включать безотказность, долговечность,
ремонтопригодность и сохраняемость
в отдельности или определенное соче-
тание этих свойств как для объекта,
так и для его частей. Применительно
к строительным объектам можно выде-
лить три основных частных свойства:
безотказность — свойство объекта
непрерывно сохранять работоспособ-
ность в течение некоторого времени;
долговечность — свойство объекта
сохранять работоспособность до нас-
тупления предельного состояния при
установленной системе технического
обслуживания и ремонтов;
ремонтопригодность — свойство
объекта, заключающееся в приспособ-
ленности к предупреждению и обна-
ружению причин возникновения отка-
зов, повреждений и устранению их
последствий путем проведения ремон-
тов и технического обслуживания.
Существенным понятием в матема-
тической теории надежности является
отказ — нарушение работоспособности
объекта. Под наработкой понимается
продолжительность функционирования
объекта. Технический ресурс, или про-
ще ресурс, определяется как наработка
объекта от начала эксплуатации или
ее возобновления после среднего или
капитального ремонта до наступления
предельного состояния.
Эти свойства могут быть охаракте-
ризованы количественными показателя-
ми надежности. Так, к показателям
безотказности относятся вероятность
безотказной работы (вероятность того,
что в пределах заданной наработки
отказ объекта не возникнет) и сред-
няя наработка до отказа (математи-
ческое ожидание наработки объекта
1.6. Развитие методов обследования и испытаний, зданий и сооружений
17
до первого отказа). Показателями
долговечности являются: гамма-про-
центный ресурс — наработка, в течение
которой объект не достигнет предель-
ного состояния с заданной вероят-
ностью у процентов, средний ресурс—
математическое ожидание ресурса и др.
Вероятность восстановления в заданное
время (вероятность того, что время
восстановления работоспособности
объекта не превысит заданного) и сред-
нее время восстановления (математи-
ческое ожидание времени восстановле-
ния работоспособности) — показатели
ремонтопригодности.
Развитию методов теории надежно-
сти и их применению в строительстве
способствовали труды советских ученых
В. В. Болотина, А. Р. Ржаницына,
С. А. Тимашева и др. Однако широкому
практическому внедрению этих методов
препятствует отсутствие необходимой
представительной информации об отка-
зах в конструкциях, зданиях и соору-
жениях. Эта информация может быть
получена в результате анализа отказов
различного характера при использова-
нии четкого, единообразного подхода.
Имеются примеры решения задач, в
которых созданы методы расчета на
надежность. Так, на базе экспери-
ментальных исследований удается прог-
нозировать ресурс ряда листовых ме-
таллических конструкций, разработан
метод оценки коррозионной стойкости
металлических конструкций, имеются
работы по оценке ресурса железобе-
тонных конструкций при малоцикловом
нагружении.
1.6. Развитие методов
обследования и испытаний
конструкций, зданий
и сооружений
Задачи экспериментальных
исследований являются двумя граница-
ми (нижней и верхней), определяющи-
ми обоснование создаваемых методов
расчета. Только на основе эксперимента
можно выявить свойства
ных материалов, а затем
ответствие расчетных моделей действи-
тельному поведению реальных объек-
тов.
Первые литературные упоминания,
связанные с экспериментальным изуче-
нием свойств материалов, содержатся
в работах гения эпохи Возрождения
Леонардо да Винчи (1452—1519 гг.).
В заметке «Испытание сопротивления
железных проволок разных длин» он
дал эскиз установки, содержащей
элемент обратной связи. К растяну-
той проволоке была присоединена ем-
кость, заполняемая песком. При обрыве
проволоки отключалось питающее
устройство. Предложено неоднократно
проводить испытания на разрыв. Одно-
временно были проведены исследования
при разных длинах проволок. Леонар-
до да Винчи исследовал также влияние
пролета изгибаемых балок на их не-
сущую способность. Идеи Леонардо да
Винчи на многие годы были скрыты
в его записных книжках, публикация
которых относится к началу XX века.
Большой вклад в науку о проч-
ности конструкций внесен замечатель-
ным ученым-энциклопедистом Галилео
Галилеем (1564—1642 гг.). В 1638 г.
им была издана книга «Беседы и мате-
матические доказательства, касаю-
щиеся двух новых отраслей науки,
относящихся к механике и местному
движению». В этой работе имеется
ссылка на некоторые наблюдения,
проделанные Г. Галилеем. Он указал,
что при возведении геометрически по-
добных сооружений по мере увеличе-
ний их абсолютных размеров они бу-
дут становиться все более и более
слабыми. Далее он проводит испытания
при простом растяжении бруса и уста-
навливает, что прочность бруса пропор-
циональна площади его поперечного
сечения и не зависит от его длины.
Г. Галилей проводит испытание бруса,
защемленного одним концом, на изгиб
и устанавливает определенные коли-
чественные зависимости, в свою оче-
редь оказывают существенное влияние
i понимание несущей спо-
баемого бруса.
18
Глава 1 Обследование и испытание конструкций, зданий и вооружений
Следует подчеркнуть то, что Г. Га-
лилей впервые подошел к оценке
несущей способности конструкций с по-
зиции предельных состояний. Идеи его
метода расчета получили дальнейшее
развитие в 30-х годах нынешнего сто-
летия. Г. Галилей установил, что изги-
бающий момент от собственного веса
балки возрастает пропорционально
квадрату длины балки, эксперименталь-
но доказал влияние геометрических раз-
меров бруса на его несущую способ-
ность. Им установлено, что геометри-
чески подобные консольные стержни,
нагруженные собственным весом, явля-
ются неравнопрочными. Г. Галилей дал
решение задачи о консоли равного со-
противления. На базе проведенных
экспериментальных исследований Г. Га-
лилей пришел к правильной оценке не-
сущей способности труб и сплошных
круговых стержней равной площади.
Существенный вклад в науку о
сопротивлении материалов был внесен
Р. Гуком (1635—1703 гг.). Им впервые
четко был сформулирован закон связи
силы и перемещения при работе мате-
риала, он установил факт, что в кон-
сольной балке при действии на ее конце
сосредоточенной силы, направленной
вниз, верхние волокна растягиваются,
а нижние — сжимаются. Им было уста-
новлено, что упругие тела возвраща-
ются в первоначальное состояние после
снятия нагрузки.
Интересные исследования провел
Э. Мариотт (1620—1684 гг.), который
экспериментально изучал явление уда-
ра, поведение балок при изгибе,
изобрел баллистический маятник, соз-
дал первые установки для испытания
материалов на растяжение. Э. Мариотт
на основе проведенных исследований
корректирует рассуждения Г. Галилея,
но допускает ошибку в аналитическом
решении.
Даниил Бернулли (1700 — 1782 гг.)
впервые описал результаты опытов,
связанных с экспериментальным уста-
новлением частот и форм колебаний
стержней. IJL О. Кулон (1 / 36-—1|8^Бгг.) < тин;, >
провел экснериментальныо^д^сдедоваг - ; Ю. Вейсбах (1806—1871 гг.) органи-
ния, связанные с изучением прочности
песчаника, сжатия призм, крутильных
колебаний. Для решения последней
задачи он сконструировал оригиналь-
ный прибор. П. Ван-Мусшенбрук
(1692—1761 гг.) предложил ряд машин
для изучения проведения испытаний на
растяжение, сжатие и изгиб.
Многочисленные эксперименты были
проведены Ф. Дюпеном (1784—1873
гг.). Он провел опыты с изгибом
деревянных балок. А. Дюло в начале
XIX века провел обширные испытания
железа и железных конструкций, в том
числе и на продольный изгиб. Он
изучал работу составных и двутавро-
вых балок.
Т. Юнг (1773—1829 гг.) впервые
опытным путем установил изменение
поперечных размеров образцов при
сжатии материала, обратил внимание
на ограниченность применения закона
Гука, установил большие разбросы при
поперечном выпучивании сжатых ко-
лонн, объяснив это отклонением осевой
силы от геометрического центра эле-
мента. Им же ставились опыты по
удару.
Г. Ламе (1795—1870 гг.) сконструи-
ровал испытательную машину, впервые
используя гидравлический насос для
создания нагрузки.
Интересные опыты по выявлению
характера колебаний пластин были
проведены Е. Хладни. Покрывая плас-
тинку тонким слоем мелкозернистого
песка, он получил возможность про-
демонстрировать существование узло-
вых линий для различных колебаний
и определить соответствующие им
частоты.
В первой половине XIX в. в Англии
У. Фейрбейрном была сконструирова-
на специальная испытательная машина,
позволившая ему совместно с И. Ход-
кинсоном провести многочисленные ис-
пытания чугунных образцов на сжатие,
растяжение и изгиб, а также изучить
прочность пластин из кованого железа
и заклепочных соединений таких плас-
1 6 Развитие методов обследования и испытаний конструкций, зданий и сооружений
19
зовывает механическую лабораторию,
в которой студенты Фрейбургской гор-
ной академии самостоятельно проводи-
ли испытания материалов на различ-
ные статические и динамические воз-
действия.
В работах Ж. В. Понселе (1788—
1867 гг.) впервые ставится проблема
усталости материалов, повлекшая за
собой большое число эксперименталь-
ных исследований и изучение разруше-
ния на реальных объектах. Г. Джемсом
и Д. Гальтоном предложена машина
для испытаний на выносливость.
А. Велер (1819—1914 гг.) продол-
жил исследования в области усталости
материалов, анализировал поломки
осей подвижного состава, разработал
прибор для измерения прогибов вагон-
ных осей на стадии их эксплуатации,
предложил установку для усталостных
испытаний. Он же предложил прибор
для статических испытаний на изгиб.
Крупным экспериментатором своего
времени был В. Вертгейм (1815—
1861 гг.). Круг его научных интересов
крайне широк. Он - изучал влияние
температурных условий на значение
модуля упругости стали, провел обшир-
ную серию испытаний стекла и разных
сортов древесины, определяя значение
коэффициента Пуассона, исследовал
оптические свойства упругих тел, зало-
жив основы для создания методов фото-
упругости. В дальнейшем в этом направ -
лении работали Ф. Нейманн, Д. Брьюс-
тер, О. Ж. Френель, Д. К. Максвелл
(1831 —1879 гг.). В работах Д. К. Мак-
свелла была полностью разработана
техника оптического метода анализа
напряжений в поляризованном свете.
Последняя треть XIX века характе-
ризуется быстрым ростом сети спе-
циальных лабораторий для испытания
материалов и конструкций, создаются
новые типы испытательных машин и
измерительной аппаратуры. К числу
ученых, получивших интересные резуль-
таты, можно отнести Д. Киркальди,
И. Баушингера, Л. Вердера и др.
Так, в 1875 г. в практике использова-
лась машина Л. Вердера с усилием
1000 кН и гидравлические прессы
Амслера—Лаффоне. Устойчивость
упругих систем изучалась в экспери-
ментальных работах И. Баушингера,
Л. Тетмайера и др. Существенный
интерес представили эксперименталь-
ные исследования Г. Р. Герца (1857—
1894 гг.). Он изучал сжатие упругих
тел, проводил опыт по взаимодействию
соударяющихся тел.
Начало XX века характеризовалось
развитием экспериментальных работ
по теориям разрушения хрупких мате-
риалов (А. А. Гриффитс, В. Вайбулл
и др.), пластического деформирования
материалов (Л. Прандтль, А. Надаи
и др.), ползучести материалов при
высоких температурах.
Неоценим вклад, внесенный отече-
ственными учеными, в развитие теории
эксперимента. Замечательный русский
самородок И. П. Кулибин (1735—
1818 гг.) создал в 70-х годах XVIII ве-
ка проект арочного моста через Неву
с пролетом 298,6 м, была построена
модель этого пролетного строения 1/10
натуральной величины. Испытания мо-
дели прошли успешно, и в течение
многих лет она перекрывала один из
каналов в Таврическом саду Петербур-
га.
В 1808 г. в Петербурге создается
Институт инженеров путей сообщения,
в стенах которого трудились Г. Ламе
и Ю. П. Клапейрон. Для изучения
механических свойств железа Г. Ламе
построил испытательную машину
горизонтального типа, рабочим органом
которой был поршень гидравлического
насоса, производящий загружение. При
проведении опытов с железом было
выявлено интенсивное развитие дефор-
маций при нагрузке, составляющей
около 2/3 разрушающей, было отме-
чено образование шейки после перехо-
да за предел текучести.
Многочисленные исследования были
проведены Д. И. Журавским (1821 —
1891 гг.), который успешно сочетал
практическую деятельность с научной
работой. Им было изучено распределе-
20
Глава 1 Обследование и испытание конструкций, зданий и сооружений
ние касательных напряжений в сплош-
ных и составных деревянных балках,
исследована работа балок коробчатого
профиля, распределение касательных
усилий. Испытывая модели фермы
системы Гау, Д. И. Журавский выпол-
нил стойки из струн и по высоте
тона, который издавали струны при
загружении модели, он судил об уровне
нагружения этих элементов.
В области изучения упругости су-
щественная роль принадлежит А. Т.
Купферу (1799—1865 гг.), первому
директору Центральной лаборатории
весов и мер в России. Он исследовал
значение модуля сдвига, изучал кру-
тильные колебания, влияние темпера-
туры на модуль упругости, провел
многочисленные работы по изучению
изгиба и колебаний балок. М. Ф. Ока-
тов (1829—1901 гг.) провел обстоятель-
ные исследования коэффициента Пуас-
сона. Н. А. Белелюбский (1845—1922
гг.) поставил вопрос о необходимости
введения в практику испытания мате-
риалов единых международных техни-
ческих условий.
Выдающимся инженером-практиком
и одаренным ученым был Ф. С. Ясин-
ский (1856—1899 гг.), который на
основе анализа разрушения пролетных
строений мостов с ездой понизу, не
имеющих ветровых горизонтальных
связей по верхнему поясу, построил
соответствующую расчетную схему.
В работах В. Л. Кирпичева (1845—
1913 гг.) рассматривались актуальные
проблемы: теория подобия, оптическое
изучение деформаций, усталостная
прочность металлов.
Интересные опыты для изучения
скольжения грунта при передаче на-
грузки через жесткий штамп были
проделаны В. И. Курдюмовым (1853—
1904 гг.).
Обзор развития экспериментальных
методов и результатов опытных иссле-
дований показывает, что русская наука
всегда стояла на передовых позициях
и развивалась в тесной связи с актуаль-
ными практическими задачами. Более
подробно читатель может ознакомиться
с историей науки о сопротивлении
материалов по книге С. П. Тимошенко
[6].
Можно отметить, что в первой
половине XX столетия наука о расчете
и экспериментальном изучении действи-
тельной работы строительных объектов
была полностью сформулирована, стала
самостоятельной наукой со своими
методами и средствами и готова была
получить новый импульс для развития
с использованием современных дости-
жений физики, математики и техники.
С первых же дней создания совет-
ского государства по инициативе В. И.
Ленина в 1918 г. был создан при
Народном комиссариате путей сообще-
ния Научно-технический комитет, при
котором был организован Научно-
экспериментальный институт путей
сообщения. В его состав вошел Инсти-
тут инженерных исследований. Основ-
ной задачей этого института ставилось
обследование и изучение действитель-
ной работы мостов, но все рассматри-
ваемые в его стенах решения могли
эффективно применяться и в других
направлениях строительной практики.
Первым директором этого института
был назначен Н. С. Стрелецкий, впо-
следствии член-корреспондент АН
СССР, который многие годы возглавлял
кафедру металлических конструкций
МИСИ им. В. В. Куйбышева.
Н. С. Стрелецкий привлек к научной
работе большое число молодых вы-
пускников Московского инженерного
училища путей сообщения, впослед-
ствии Московского института инжене-
ров железнодорожного транспорта, и
выпускников Высшего технического
училища, ныне Московского высшего
технического училища им. Н. Э. Баума-
на. Среди сотрудников института осо-
бенно выделились член-корреспондент
АН СССР И. М. Рабинович (многие
годы возглавлявший кафедру строи-
тельной механики МИСИ), М. М.
Филоненко-Бородич, Г. А. Николаев
(впоследствии академик, долгие годы
являвшийся ректором МВТУ), Ю. А.
Нилендер (впоследствии профессор
МИСИ им. В. В. Куйбышева, созда-
1 6 Развитие методов обследования и испытаний конструкций, зданий и сооруже шй 21
тель первой кафедры испытания соору-
жений в строительных вузах страны)
и многие другие талантливые ученые
и инженеры.
В стенах института работал А. Г.
Гагарин, автор известного пресса,
многие годы применявшегося в меха-
нических лабораториях для испытания
материалов. Н. Н. Максимов разра-
ботал прогибомер, позволяющий изме-
рять перемещения точек сооружений,
расположенных на большой высоте.
И. М. Рабинович в своих работах
развивал методы изучения воздействия
динамических нагрузок на пролетные
строения мостов. Большой вклад в нау-
ку нашей страны он внес при изуче-
нии воздействий кратковременных им-
пульсных нагрузок на сооружения.
М. М. Филоненко-Бородич исследовал
прочность материалов. Г. А. Николаев
возглавил советскую школу сварки.
Ю. А. Нилендер разработал методику
испытания днепрогесской плотины и
оказал существенное влияние на разви-
тие теории неразрушающих методов.
Он определил распределение напряже-
ний, вызванных неравномерным повы-
шением температуры внутри плотины
вследствие усадки.
Велики заслуги советских ученых,
сформировавших направление строи-
тельной науки, связанное с созданием
методов и средств обследования строи-
тельных объектов, испытания моделей
и сооружений, создавших аппаратур-
ное обеспечение измерений в строитель-
стве. Нельзя не отметить работы И. Л.
Корчинского, К. И. Безухова, Н. Н.
Аистова, Н. А. Крылова и К. А. Глу-
ховского, М. А. Новгородского, Р. И.
Аронова [1], Д. Е. Долидзе [3],
В. М. Сердюкова, А. Г. Григоренко,
Л. И. Кривилева, Г. Я. Почтовика,
А. И. Яковлева, Ю. Д. Золотухина
[4], Г. Л. Хесина и др.
Оригинальные измерительные при-
боры и преобразователи созданы
Н. Н. Максимовым, Н. Н. Аистовым,
И. А. Физделем, К. П. Кашкаровым,
И. С. Вайнштоком, И. В. Вольфом,
А. М. Емельяновым, В. Ф. Смотровым,
В. А. Воробьевым, О. Ю. Саммалом,
В. 3. Хейфицем и др. В трудах совет-
ских ученых успешно развивались мето-
ды моделирования строительных кон-
струкций, причем новые оригинальные
результаты получены Г. И. Покров-
ским, Д. А. Питлюком, И. С. Шейни-
ным, В. Н. Мостаченко и др. Нераз-
рушающий контроль производства и
качества железобетонных изделий раз-
вивается в работах А. И. Буракаса,
Д. А. Коршунова, 3. М. Брейтмана,
В. П. Глуховского, А. М. Полищука,
Л. Г. Родэ, И. Э. Школьника, В. В. Су-
дакова, Б. Б. Ужполявичюса и др.
Весьма поучительными являются ре-
зультаты анализа последствий аварий
и катастроф. Однако количество работ
в этом направлении сравнительно неве-
лико.
В работах Ф. Д. Дмитриева,
Б. И. Беляева и В. С. Корниенко,
М. Н. Лащенко, М. М. Сахновского
и А. М. Титова, А. Н. Шкинева
[7] содержится детальный и подроб-
ный анализ причин разрушения зданий
и сооружений. Строгой классифика-
ции причин и характера разрушений
до настоящего времени не создано,
но можно выявить следующие объектив-
ные обстоятельства, приводящие к раз-
рушению конструкций: недостаточное
знание условий действительной работы
рассматриваемого объекта; ошибки, до-
пущенные в процессе проектирования
и в определении величин действующих
нагрузок; несовершенство изготовле-
ния и монтажа объекта; неправильные
условия его эксплуатации. Здесь ис-
ключены из рассмотрения те аварии и
катастрофы, которые могут быть выз-
ваны стихийными бедствиями: ураган-
ными ветрами, волнами цунами, земле-
трясениями, оползнями, селевыми по-
токами, а также взрывами. Приведем
лишь некоторые характерные примеры.
В 1875 г. разрушился мост через реку
Кевду. Пролетное строение его пред-
ставляло металлическую ферму с ездой
понизу. Ферма не имела горизонталь-
ных связей по верхнему поясу, длина
22 Г гав i I < )бследование и испытание конеiрукций, зданий и соору эюений
пролета составляла 33,5 м. Ф. С. Ясин-
ский в своих работах показал, что
причиной аварии явилась потеря устой-
чивости верхнего пояса, он разработал
метод установления критических нагру-
зок. В 1904 г. в Нью-Йорке (США)
в процессе строительства рухнул метал-
лический каркас недостроенного отеля
Дармингтон при монтаже 10-го этажа.
Причиной также явилась потеря устой-
чивости. Поучительной является авария
Трансконского элеватора, произошед-
шая в 1913 г. в Канаде. Построенное
железобетонное сооружение, опираю-
щееся на железобетонную плиту, полу-
чило существенный наклон. Причиной
аварии послужила недостаточная изу-
ченность структуры основания. Свое-
временно принятые меры позволили
вернуть сооружение в проектное поло-
жение.
Чрезвычайно поучительна катастро-
фа, происшедшая в 1940 г. в США,
связанная с разрушением висячего ав-
томобильного Такомского моста через
реку Мэрроуз. Пролетное строение
имело длину 1662 м, а главный пролет—
845 м. При порывистом ветре колеба-
ния пролетного строения в горизонталь-
ной плоскости перешли в крутильные
и вертикальные колебания, которые
привели к разрушению. Теоретический
анализ данной аварии был осуществлен
крупнейшим советским ученым В. 3.
Власовым (1906— 1958 гг.), который до-
казал, что разрушение произошло из-за
значительных изгибно-крутильных
форм колебаний тонкостенных стерж-
ней.
В 1962 г. произошло разрушение
центральной трубчатой радиомачты
высотой 252,55 м и диаметром 2,2 м.
Мачта в четырех ярусах раскреплялась
по пяти лучам. Как было установлено,
разрушение произошло в результате
потери устойчивости, которую иниции-
ровала некачественность выполнения
заводской сварки.
Б. И. Беляев и В. С. Корниенко
провели анализ 39 аварий стальных
конструкций за период 1951 —1967 гг.
и выявили, что по пятилетиям коли-
чество аварий распределяется в соот-
ношении 8:11:15 при общем сокращении
строительства металлических конструк-
ций. Анализируя назначения объектов,
они определили, что 16 случаев были
связаны с обрушением покрытий про-
мышленных зданий, 8—с разрушением
объемно-листовых конструкций (резер-
вуары, силосы, кожухи технологических
агрегатов), 7 — с обрушением опор
линий электропередач (ЛЭП) и радио-
связи, 8 — с обрушением транспортных
галерей. Исследователи отмечают, что
59% аварий произошло в период строи-
тельства, 41%—в период эксплуата-
ции, а 26—28% аварий происходит по
причине ошибок проектировщиков. Сле-
дует отметить, что почти половина
аварий связана с потерей местной и
общей устойчивости. Анализ аварий и
катастроф — это негативная фиксация
ошибок, допущенных на различных
стадиях технологического процесса,
связанного со строительным конвейером.
Существенное значение следует при-
дать наблюдениям за поведением соз-
даваемых конструкций. В качестве при-
мера можно привести комплексные
исследования Останкинской башни мос-
ковского телерадиоцентра, проводимые
более 15 лет и включающие изучение
деформирования грунтов основания,
работы бетона башни, наблюдение
за натяжением тросов, за параметра-
ми колебаний конструкции.
Интересен опыт исследования ра-
диотелевизионной башни, построенной в
г. Алма-Ате. Эти работы были прове-
дены под руководством Б. В. Остроу-
мова, В. И. Каракозовой и В. Г. Зо-
лотухина. Работа носила комплексный
характер и началась с исследований
на моделях. Впервые для горных райо-
нов с высокой сейсмичностью создано
башенное сооружение высотой 372 м
с базой в основании 18,5 м. Масса
металлоконструкций при этом состав-
ляет около 5000т.
В настоящее время еще недостаточ-
но организована служба контроля ка-
чества изготовления и монтажа строи-
тельных конструкций, а также служба,
1 7 Оценка эффективности экспериментальных исследований 23
регистрирующая информацию об отка-
зах. Необходимо оперативно произво-
дить анализ причин, обусловивших от-
казы в сооружениях и на их основе
разрабатывать рекомендации.
1.7. Оценка эффективности
экспериментальных
исследований
В строительстве проводится
большой объем экспериментальных ис-
следований, направленных на повыше-
ние эффективности применяемых мате-
риалов и конструкций и надежности
зданий и сооружений. При этом возни-
кает проблема оценки экономической
эффективности проводимых исследова-
ний, однако в настоящее время еще
не создан четкий аппарат, позволяю-
щий прогнозировать получаемый в ре-
зультате проведения испытания эффект.
Один из возможных подходов содер-
жится в (Методических рекомендациях
по расчету экономической эффектив-
ности применения неразрушающего
контроля бетона и железобетона/
НИИСК.— Киев, 1980). Расчет эконо-
мической эффективности может выпол-
няться на единицу прибора, продукции
или работ, на годовой объем производ-
ства средств контроля и продукции или
выполнения работы.
Предложено расчет экономического
эффекта производить на единицу про-
дукции и оценивать по следующим
направлениям:
от применения новых методов и
приемов, механизации и автоматизации,
организации измерений, испытаний и
контроля, обеспечивающих экономию
производственных ресурсов при контро-
ле производства и качества одной и
той же продукции в виде
Э = зб_зн;
от производства и применения но-
вых приборов долговременного исполь-
зования с улучшенными качественными
характеристиками
Э = Збсф + Эп-Зн;
от производства новых приборов и
приборов повышенного качества на
основе изобретений и рационализатор-
ских предложений
Э = ПН — Пб —ЕНКН,
где 3 — приведенные затраты на единицу прибо-
ра, продукции, работы, руб., верхние индексы:
б относится к базовому, ан — к новому прибору,
продукции, работе; Э — экономический эффект,
руб.; Эп — то же, достигаемый у потребителя;
П — прибыль от выпуска прибора, продукции
на единицу, руб; Ен — нормативный коэффициент
эффективности; К — капитальные вложения
на единицу прибора, продукции, работы, руб.;
а — коэффициент учета роста производитель-
ности нового прибора; 0 — коэффициент учета
срока службы нового прибора по сравнению
с базовым.
Расчет годового экономического
эффекта Эг от выполнения работ и вы-
пуска продукции производится по од-
ной из формул
ЭГ = ЭАГ; ЭГ = ЭБГН; ЭГ = ЭВГН,
от сокращения срока ввода в действие
строительного объекта
ЭГ = ПГ(Т*-Т"), (1.1)
где Аг — количество новых приборов, выпускае-
мых в год, шт.; Бг — количество продукции,
выпускаемой в год; Вг — количество испытаний,
измерений, выполняемых за год; ГГ — годовая
прибыль; То — срок ввода в действие строитель-
ного объекта в годах.
При отсутствии исходных данных о
прибыли, используемых в формуле (1.1),
эффект допускается определять по фор-
муле
ЭГ = ЕНКФ (То-То),
где Кф — стоимость досрочно вводимых в дей-
ствие основных фондов.
Приведенные затраты могут быть
определены по формуле
3 = С + ЕНК,
а прибыль исчисляется как
П = Ц-С,
где Ц — отпускная цена одного прибора, еди-
ницы продукции, работ, руб.; С — себестоимость
единицы продукции, работ; в зависимости от
обстоятельств она принимает следующие зна-
чения: Сп — себестоимость единицы продукции,
работы, производимой с использованием прибора;
Ск — себестоимость единицы контрольной one-
24
Глава 1 Обследование и испытание конструкций, зданий и сооружений
рации (определения единичного значения контро-
лируемого показателя); Си — себестоимость одно-
го испытания (измерения), включая все необ-
ходимые сопутствующие работы.
Себестоимость прибора, продукции,
работы складывается из затрат, связан-
ных с использованием в процессе
производства основных фондов, сырья,
материалов, топлива, энергии, труда и
других затрат на ее производство и
реализацию. В соответствии с этим в
себестоимость продукции включают
затраты:
на подготовку производства*;
непосредственно связанные с произ-
водством продукции, включая расходы
на управление;
связанные с совершенствованием
технологии и организации производства
в ходе производственного процесса
(кроме затрат, производимых за счет
капитальных вложений), улучшением
качества продукции;
на улучшение условий труда и тех-
ники безопасности, повышение квали-
фикации работников производства;
сбытовые расходы (кроме тех, кото-
рые по условиям поставки возмещают-
ся потребителем сверх цены продук-
ции).
При расчете себестоимости рекомен-
дуется учитывать только те затраты,
которые изменяются в связи с произ-
водством и использованием прибора.
При этом цеховые расходы должны
быть скорректированы прямым счетом
по изменяющимся статьям (их пере-
счет пропорционально заработной плате
не допускается).
Представим формулы для расчета
себестоимости:
Сп =2Сч;Б( 4“ SCn/Bj,
где 2 — суммирование по всем видам частей
(элементов) продукции и испытаний (измере-
ний); Счг — себестоимость части (элемента)
продукции и испытаний (измерений); Б, — ко-
личество соответствующей части продукции,
стоимость которой изменяется при использова-
нии объекта; Сп (может принимать значение
Ск) —себестоимость контрольной операции;
Си — себестоимость испытания (измерения);
См — себестоимость материала, инструмента, ин-
вентаря, не включаемого в смету капиталь-
ных затрат; Ср — себестоимость текущего ремон-
та оборудования; Сэ — себестоимость электро-
энергии, пара, сжатого воздуха и пр.; С3 —
средняя тарифная ставка звена контролеров;
Ст — расценка на одно испытание (измерение);
В1 — количество испытаний на единицу продук-
ции (работ);
Ск = 2Си/В1,
где 2 — суммирование затрат по всем видам
работ, связанных с испытанием; В, — количество
испытаний для определения единичного значе-
ния контролируемого показателя;
. Си =С1 -|-Сг-f-Сз-|-С4,
где Ci — заработная плата; С2 — себестоимость
материалов; С3 — себестоимость энергетических
затрат; С4 — цеховые расходы, отнесенные к еди-
нице прибора, продукции, работ.
Коэффициент а определяется по
формуле
а = Всн/Всб,
где Вс — количество работ, связанных с испы-
таниями (измерениями), выполняемых с по-
мощью одного средства испытания (измерения).
Коэффициент учета срока 0 службы
нового прибора по сравнению с ба-
зовым определяется по формуле
Р=(Рб + Ен)/(Рн + Ен),
где Р — доля отчислений от балансовой стои-
мости прибора на его реновацию (полное вос-
становление), определяемая по формуле
Р=Е/[(1 +Е)’-1],
где Е = 0,1 —коэффициент приведения затрат
во времени; Ен=0,15 — коэффициент эффектив-
ности капитальных вложений; Т — срок службы
прибора.
Экономия потребителя Эп на теку-
щих издержках эксплуатации и от-
числения от сопутствующих капиталь-
ных вложений за весь срок службы
единицы нового прибора по сравне-
нию с базовым определяется по форму-
ле
Эп= [(Иб-Ин) +Ен(К?-Ксн)]/(Рн + Ен),
годовые эксплуатационные издерж-
ки потребителя И при использовании
прибора определяются по формуле
И = СпБг,
где Кс — капитальные вложения на единицу
прибора, продукции, без учета стоимости прибо-
ра, руб.
I 7 Оценка эффективности экспериментальных исследований
25
В состав капитальных вложений,
учитываемых при расчете приведенных
затрат, включаются все единовремен-
ные затраты, необходимые для исполь-
зования базового и нового объекта:
непосредственные капитальные
вложения, включающие стоимости всех
видов строительных работ, работ по
монтажу оборудования, стоимости
оборудования, приборов и устройств,
предусмотренных в сметах на строи-
тельство или приобретение по смете
капитальных вложений, а также прочие
капитальные работы и затраты;
единовременные затраты, необходи-
мые для создания и использования
объекта, включая затраты на проведе-
ние научных и опытно-конструкторских
работ, а также на испытания и до-
работку опытных образцов (только в
варианте новой техники), приобретение
машин и оборудования, их доставку,
монтаж и демонтаж, техническую под-
готовку и освоение производства, по-
полнение оборотных фондов, связанных
с созданием и использованием объекта,
создание необходимых производствен-
ных площадей и других элементов ос-
новных фондов, непосредственно свя-
занных с производством и использова-
нием базового и нового объекта,
технические мероприятия и устройства,
предотвращающие отрицательные пос-
ледствия влияния эксплуатации техни-
ки на природную среду и на условия
труда, а также убыток или прибыль
от производства продукции и реализа-
ции в период освоения производства,
предшествовавший расчетному году.
Затраты и результаты К/, осущест-
вляемые и получаемые до начала рас-
четного года, умножаются на коэф-
фициент у
K/=2VlK,
а осуществляемые после расчетного—
делятся на него
К, = 2К//Тл
причем
Т=(1 +Е)\
где t — число лет, отделяющих затраты и ре-
зультаты данного года от начала расчетного
года, причем суммирование проводится по всем
годам. Индексы i, j определяют соответствую-
щие затраты.
Удельные капитальные затраты К на
единицу прибора, а также продукции
(работы), производимой (выполняе-
мой) с помощью прибора, определяются
соответственно по одной из формул
К=К//АГ; К=К//БГ; К=К,/ВГ.
Количество испытаний (измерений)
Вп данного вида для оцениваемой со-
вокупности (партии) продукции опре-
деляется по формуле
Вп = ВВК, (1.2)
годовой объем испытаний Вг (изме-
рений) данного вида определяется как
ВГ = БГВП/БП, (1.3)
где В — количество испытаний для определения
единичного значения контролируемого
показателя; Вк — количество единичных зна-
чений контролируемого показателя, определя-
емых для совокупности (партии) продукции;
Бп — количество продукции, включаемой в одну
контролируемую совокупность (партию).
Трудоемкость испытаний рассчиты-
вается по результатам хронометражных
наблюдений или по Единым нормам
и расценкам. При использовании ре-
зультатов хронометражных наблюдений
затраты труда на оперативную работу
Тор определяют по формуле
ТОр = 5 Тор<-Во/,
где Topt — норма времени, чел.-ч, на выполнение
z-й оперативной работы по результатам хроно-
метражных наблюдений; ВО1 — число повторяемо-
сти Z-й операции при проведении одного испы-
тания.
Норма времени звена Т3 контроле-
ров определяется по формуле
Т3= ктТор “И Тн,
где Тн — норма времени на одно испытание
(измерение), принимается по ЕНиР, чел.-ч.
Коэффициент дополнительных затрат
кт определяется по формуле
Кт= 100/(100 —Н1—Н2 — Н3),
где Hi — время, затрачиваемое на подготови-
тельные и заключительные работы; Н2 — вре-
26
Глава 1 Обследование и испытание конструкций, зданий и сооружений.
мя, затрачиваемое на отдых и личные надобности;
Н3 — время, затрачиваемое на технологические
перерывы, %.
Рекомендуется принимать Hi —10
при неразрушающих испытаниях (с
учетом получения и проверки градуи-
ровочных зависимостей, развертывания
и свертывания аппаратуры) и Hi = 5
при традиционных испытаниях и при
определении прочности бетона прибора-
ми механического действия, Нг = 8 и
Нз = 5. Тогда в первом случае кт=1,3,
во втором кт=1,2.
Расценка на одно испытание (изме-
рение) Ст — определяется как
Ст=СзТ3,
где С3 — средняя тарифная ставка звена
контролеров, которую для инженеров лабора-
торий (ОТК) рекомендуется принимать равной
75 коп. за 1 чел.-ч, а для старшего лаборанта
(техника) — 57,6 коп. за 1 чел.-ч. Для рабочих
тарифная ставка принимается в соответствии
с разрядом.
Заработная плата Ci определяется
С1 — КсСт.
Если принять дополнительную зарпла-
ту в размере 8,2% от основной, отчис-
ления в фонд социального страхова-
ния в размере 6,1% и премии в размере
20% от основной зарплаты, то Кс =
= 1,35.
Стоимость основных материалов С2,
расходуемых при проведении испыта-
ний, определяется по формуле
C2 = SCMzrM/, (1.2)
где Гмг — количество материала, а также ин-
струментов (инвентаря), не включаемых в смету
капитальных затрат.
Стоимость энергетических затрат
С3 на эксплуатацию оборудования,
используемого при проведении испыта-
ний, определяется по формуле
Сз = S Сэ4 ГЭЙ
где Гэ/ — количество электроэнергии, пара,
сжатого воздуха в расчете на одно испытание
(измерение).
Цеховые расходы определяются по
формуле
С4 = С2ц+ Р(0,05Ко<4-СрТр1) Н-0,026Кс]/Вс,
здесь вместо В£ в знаменатель вводится Бг,
если учитывается количество годовой выпуска-
емой продукции; С2ц — стоимость вспомогатель-
ных материалов, а также инструмента и инвен-
таря, не включаемого в смету капитальных
вложений, определяемых по формуле (1.2); от-
числения на капитальный ремонт — 2,5% и вспо-
могательные материалы, используемые при
эксплуатации оборудования — 2,5%; амортиза-
ционные отчисления составляют 2,6% от стои-
мости сопутствующих капитальных вложений;
Ко/ — стоимость оборудования; Ср/ — стоимость
текущего ремонта оборудования; Гр1- — количе-
ство ремонтов оборудования в год.
Количество ремонтов оборудования
за год Гр определяется по формуле
Гр = ВсТс/Тр,
где Тс — время работы оборудования; Тр —
среднее время наработки оборудования на отказ,
принимаемое по техническим условиям.
В методических рекомендациях
приведены конкретные примеры расчета
трудоемкости и себестоимости испыта-
ний, эффективности применения мето-
дов и средств испытаний и контроля,
исследований экономической эффектив-
ности статистического контроля прочно-
сти бетона.
Глава 2
Методы и средства приложения
силовых нагрузок при исследовании
несущей способности строительных объектов
2.1. Классификация
силовых нагрузок
Методы приложения силовых
нагрузок зависят от тех задач, которые
ставятся при проведении испытаний.
Испытания проводят как на реальных
конструкциях, так и на их макетах
и моделях. Цель проводимых испыта-
ний заключается в выявлении несущей
способности, жесткости и трещино-
стойкости конструкций, зданий и соору-
жений.
При испытании реальных объектов
может быть поставлен вопрос об оцен-
ке действительного состояния эксплуа-
тируемой конструкции, для этого при-
меняются только неразрушающие мето-
ды, а при испытании опытной кон-
струкции наряду с неразрушающими
методами возможно применение и раз-
рушающих методов, когда объект до-
водится до полного исчерпания им несу-
щей способности.
Макет для испытаний представляет
собой изделие, которое упрощенно
воспроизводит объект испытаний или
его часть.
Модель — это изделие, представ-
ляющее вопроизведение объекта испы-
таний или его части, также выпол-
ненное в определенном масштабе.
Основное отличие макета от модели
заключается в степени упрощения
воспроизведения испытаний. Для моде-
ли необходимо установление соответ-
ствующих численных соотношений с
реальным или проектируемым объек-
том, основанных на использовании
теории подобия. Макеты и модели,
как правило, применяются в научно-
исследовательских испытаниях.
Метод испытаний определяется
совокупностью правил применения
определенных принципов для осущест-
вления испытаний. Эти пр шила заклю-
чаются в создании внешних воздей-
ствий, использовании соответствую-
щей измерительной аппаратуры, приме-
нении автоматизированных комплексов
регистрации и обработки и формы
представления результатов испытаний.
В настоящее время, когда испытания
носят комплексный характер и когда
используется лорогос гоящая измери-
тельная аппаратура, необходима тща-
тельная подготовка к проведению испы-
таний: обязательное составление плана
проведения исследований, разработка
стратегии и тактики испытаний.
Испытания, связанные с обследова-
нием реальных конструкций, зданий и
сооружений, проводятся непосредствен-
но на натурных объектах.
Испытания, связанные с опытными
объектами, проводятся обычно на испы-
тательных полигонах — территориях,
предназначенных для проведения испы-
таний в условиях, близких к условиям
эксплуатации, и обеспеченных необхо-
димым комплексом средств испытаний
и обработки результатов.
Для установки объекта испытаний
в заданном положении, создания воз-
действия, съема информации и управле-
ния процессов испытаний используются
испытательные стенды.
При испытании макетов и моделей,
проводимых в стенах научно-исследо-
вательских лабораторий, используется
в большей части стан шртизованное
оборудование.
Проведению испытаний предшеству-
ет составление технического задания,
в котором формулируются цели
исследования, создается рабочая прог-
рамма, подготавливается техническая
документация
28
Глава 2 Методы и средства прилЬжения силовых нагрузок при исследовании несущей способности объектов
Особое внимание должно быть уде-
лено разработке мероприятий, связан-
ных с охраной труда и техникой без-
опасности, которые должны неукосни-
тельно соблюдаться на всех стадиях
проведения испытаний. Далее осуще-
ствляется подготовка конструкции к
испытанию, оснащение ее нагрузочны-
ми устройствами, комплексом измери-
тельной аппаратуры. После окончания
испытаний осуществляется осмотр кон-
струкции, обработка результатов изме-
рений, их анализ и выдача соответст-
вующих рекомендаций.
Необходимо учитывать, что если
после обследования объекта или после
проведения испытаний данный объект
должен быть введен в эксплуатацию,
испытания должны быть организованы
так, чтобы после проведения их не
ухудшилось состояние объекта. В связи
с этим испытательная нагрузка не
должна превышать контрольных пре-
делов, устанавливаемых предваритель-
ной оценкой тех усилий и перемеще-
ний, которые присущи объекту. Под
контрольной нагрузкой понимают зара-
нее назначенную нагрузку, которую
должны выдерживать образцы кон-
струкций и изделий серийного изго-
товления при выборочном их испыта-
нии. При испытании опытных объек-
тов, дальнейшая эксплуатация которых
не предусматривается, верхний предел
нагрузок не устанавливается, но пред-
варительно оцениваются значения на-
грузок, приводящих к разрушению
объекта, с целью обоснованного выбора
соответствующих нагрузочных
устройств и измерительных приборов
(преобразователей).
Различают два типа нагружения:
статическое и динамическое. Любой
процесс нагружения протекает во вре-
мени, поэтому чисто статических нагру-
зок не существует. При изготовлении
железобетонных конструкций в
формах или в опалубке вес бетона
передается на поддон формы или на
нижние щиты опалубки. При извлече-
нии изделия из формы в зависимости
от способа извлечения во времени
происходит нагружение элемента сила-
ми собственного веса, при снятии
опалубки передача усилий собственно-
го веса также происходит за опре-
деленный отрезок времени. Чтобы оце-
нить характер приложения нагрузок
во времени следует сопоставить время
нарастания нагрузки до максимального
значения с основным, наибольшим,
периодом собственных колебаний рас-
сматриваемого объекта. Так, если на-
грузка изменяется линейно и достига-
ет своего максимального значения за
время т (рис. 2.1,а), то при известном
значении основного периода собствен-
ных колебаний Т можно считать,
2.1. Классификация силовых нагрузок
29
6)
что влияние сил инерции достаточно
мало, если справедливо неравенство
т,)Т> 10. В этом случае коэффициент
динамичности кд, определяемый соот-
ношением кЛ = уЛ/ус (ус — прогиб от
медленного нагружения конструкции, а
уЛ — прогиб с учетом скорости нагру-
жения), даже без учета сил затуха-
ния не превышает 1,03, что следует
из графика коэффициента динамично-
сти (рис. 2.1,6).
Числовые значения периодов соб-
ственных колебаний конструкций, зда-
ний и сооружений изменяются в дос-
таточно широком диапазоне от нес-
кольких микросекунд для отдельных
элементов конструкций (металлические
балки и плиты) до десятков секунд
(высотные сооружения).
Статические нагрузки в основном
различают по характеру их располо-
жения на конструкциях: сосредото-
30
Глава 2 Методы и средства приложения силовых нагрузок при исследовании несущей способности объектов
ченные, распределенные по линии, рас-
пределенные по площади. Распределен-
ные нагрузки могут изменяться как
равномерно, так и неравномерно.
Классификация динамических на-
грузок очень разнообразна. Динами-
ческие нагрузки могут быть детер-
минированными (неслучайными) и слу-
чайными. Детерминированные нагрузки
могут быть полностью описаны зако-
ном их изменения во времени. Такие
нагрузки возникают при работе меха-
низмов с неуравновешенными массами,
электродвигателей и генераторов,
вентиляторов и молотов, кривошипно-
шатунных механизмов и пр. Для слу-
чайных нагрузок до проведения испы-
таний нельзя предсказать их кон-
кретный характер, хотя при наборе
представительной статистической ин-
формации можно выявить их определен-
ные вероятностные характеристики.
При рассмотрении стационарных слу-
чайных нагрузок, которыми в частности
являются ветровые нагрузки на высот-
ные сооружения, волновые нагрузки на
морские основания для освоения кон-
тинентального шельфа, необходимо
знать либо функцию спектральной
плотности S(w), либо корреляционную
функцию /С(т), которые связаны между
собой прямым и обратным преобразо-
ванием Фурье
оо
/С(т) = S((o) cos ют dm ,
О
оо
2 Г
S(co)= —\ /С(т) cos сот dr .
л J
о
Динамическая нагрузка может быть
неподвижной и подвижной. К непод-
вижной — относятся воздействия на
сооружения стационарно установлен-
ного оборудования, подвижной —
воздействия на строительные конструк-
ции кранов, электрокаров, подвижного
состава, а также перемещение людей.
По характеру изменения нагрузок
во времени различают непериодичес-
кие (рис. 2.2,а), импульсные (рис.
2.2,6), периодические (рис.2.2,в), гар-
монические (рис. 2.2,г). Особый харак-
тер носит ударная нагрузка.
Примерами непериодической на-
грузки может являться воздействие на
строительные конструкции взрывных
нагрузок, обусловленных взрывом ВВ,
горением газовой смеси и т. д. В
отдельных случаях такие нагрузки мо-
гут действовать относительно корот-
кий промежуток времени. В этом слу-
чае становится несущественным харак-
тер распределения нагрузки во вре-
мени. Если время действия нагрузки
т подчинено неравенству т<0,1Г, где
Т — наибольший период собственных
колебаний конструкции, то эффект оце-
нивается значением величины дей-
ствующего импульса J, которая опре-
деляется выражением
P(t) dt.
о
Под ударной нагрузкой понимается
воздействие на строительную конструк-
цию другой массы, когда необходи-
мо учитывать взаимодействие двух,
а иногда и более, соударяемых тел.
В этом случае иногда возникает необ-
ходимость изучения местных явлений,
протекающих вблизи точек соприкос-
новения, а также закономерностей
распространения волновых колебаний.
2.2. Методы приложения
статических сосредоточенных
и распределенных нагрузок
Для создания нагрузок при
испытаниях используют штучные гру-
зы; сыпучие материалы; емкости, на-
полненные водой; пневматические по-
душки; гидравлические и винтовые
домкраты. В качестве штучных гру-
зов используются гири, металлические
отливки и поковки, бетонные и железо-
бетонные блоки, которые перед испыта-
2 2 Методы приложения статических сосредоточенных и распределенных нагрузок
31
Рис. 2 3. Схема приложения
нагрузок к нижнему поясу
фермы
V//////////'// W/SSMSJWMW,
Рис. 2.4. Схема рычажной
передачи
ниями взвешиваются и маркируются.
Для передачи усилий используются
также тали, полиспасты, лебедки при
включении их в цепь динамометров.
Основным требованием, предъявля-
емым к внешним воздействиям, явля-
ется их стабильность во времени и
возможность надежного контроля их
значений.
В лабораторных условиях при испы-
тании моделей и образцов материалов
применяется стандартное прессовое
оборудование и испытательные маши-
ны, которые разделяются на два типа:
машины с жестким нагружением, где
задается режим деформирования, и
машины с мягким загружением, где
задается закон изменения силовой
нагрузки. Последний тип машин явля-
ется предпочтительным.
Подвешивание грузов является са-
мым простым способом создания сосре-
доточенных нагрузок, причем его пре-
имуществом по сравнению с другими
способами является то, что при под-
веске грузов действующее усилие не
зависит от прогибов испытуемой кон-
струкции. Однако этот способ являет-
ся достаточно громоздким. Приведем
несколько характерных примеров. На
рис. 2.3 представлена схема приложе-
ния сосредоточенных нагрузок к нижне-
му поясу фермы / при помощи под-
весок 2. На грузовые площадки 3
укладываются штучные грузы. Пред-
ставленная схема приложения нагрузок
хотя и часто применяется на прак-
тике, но не является удовлетворитель-
ной с точки зрения обеспечения
мероприятий техники безопасности, так
как экспериментаторы вынуждены
непосредственно находиться под нагру-
жаемой фермой /. Учитывая отме-
ченное обстоятельство, нагрузку на гру-
зовую платформу 1 целесообразно
передавать через рычажное приспособ-
ление 2 (рис. 2.4). Упор 4 служит
для ограничения передачи нагрузки
при больших прогибах фермы. При
этом способе передачи нагрузок требу-
ется большее количество штучных
грузов чем для создания нагрузки
в рассмотренном примере.
Возможно также сооружение под
испытуемой фермой временных под-
мостей, которые выполняют двойную
функцию. Они предохраняют испытате-
лей от возможных аварий и, кроме
того, являются устройствами, позво-
ляющими крепить к ним измеритель-
ные приборы. Аналогично прикладыва-
ется сосредоточенная нагрузка и к верх-
ним узлам ферм. При проектирова-
нии устройств для крепежа подвесок
следует обратить внимание на недо-
пустимость ослабления узлов испыту-
емой фермы и на необходимость при-
нятия мероприятий, исключающих мест-
ное повреждение металлоконструкций.
При использовании натяжных при-
способлений отпадают трудоемкие ра-
боты по взвешиванию и перемещению
грузов; направление прикладываемых
усилий может быть произвольным;
требуемые устройства компактны, легко
вписываются в технологическую схему
цеха и их использование не вызывает
затруднений в стесненных условиях;
возможна автоматизация регулирова-
ния значений ватуж для этого в
цепь 'Й -'ча может быть
32
Г лава 2 Методы и средства приложения силовых нагрузок, при исследовании несущей способности объектов
включен динамометр с тензорезистор-
ными преобразователями.
К недостатку такого способа при-
ложения нагрузки относятся: необхо-
димость в случае одновременного при-
ложения ряда нагрузок производить
постоянное регулирование усилий, чув-
ствительность нагрузки к развитию
пластических деформаций в конструк-
ции при длительном приложении на-
грузки, а также к изменению тем-
пературы, так как в совокупности
с испытуемой конструкцией система
передачи, с точки зрения строитель-
ной механики, представляет статически
неопределимую систему с предваритель-
ным напряжением. Однако отмеченные
недостатки могут быть устранены ме-
тодами автоматизированного контроля
нагрузок с использованием микропро-
цессорной техники.
Системы с натяжными устройства-
ми по принципу работы являются
механизмами с жестким загружением,
тогда как системы с подвешенными
грузами представляют механизм с мяг-
ким нагружением.
При испытании конструкций на
полигонах, в лабораториях широко
используются для создания сосредото-
ченных силовых воздействий домкраты.
К преимуществам использования дом-
кратов относится их малогабаритность,
простота создания и регулирования
нагрузки, возможность приложения
нагрузки по любым направлениям.
В практике испытаний применяют гид-
равлические домкраты с групповой
насосной установкой с электрическим
или ручным (при малых нагрузках)
приводами. Использование групповой
насосной установки обеспечивает мяг-
кое нагружение конструкции.
Существуют различные типы дом-
кратов, создающие нагрузки до 1000 кН
и имеющие ход поршня от 100 до 315 мм.
Усилие, создаваемое домкратом,
определяется по показанию техническо-
го манометра класса не ниже 2,5,
измеряющего давление с точностью
до ±2,5%. Перед испытаниями все
манометры поверяются по образцовому
Рис 2 5 Схема крепления
шин в теле бетона
Рис 2.6. Схема приложения
сосредоточенной нагрузки
контрольному манометру класса 0,2.
Каждый домкрат вместе с насосной
станцией и гидросистемой подлежит
обязательной поверке с помощью эта-
лонных динамометров или на испыта-
тельных прессах.
При проведении испытаний кон-
струкций создаются стационарные или
временные стенды. В простейшем слу-
чае стенд представляет собой совокуп-
ность опор и опорных устройств, на
которых располагается испытуемое из-
делие. Временные сборно-разборные
стенды представляют собой, как прави-
ло, металлические фермы, причем кон-
струкция и силовое оборудование
устанавливаются так, что они образуют
замкнутую систему, не передающую
нагрузку на то основание, на которое
опирается сборно-разборная ферма.
2 2. Методы приложения статических сосредоточенных и распределенных нагрузок
33
Рис 2 7 Схема нагружения
железобетонной балки
Стационарные стенды, как правило,
представляют собой монолитные желе-
зобетонные или металлические кон-
струкции, расположенные на мощном
железобетонном монолитном фундамен-
те. Стенд оснащается обустройствами,
позволяющими осуществлять крепеж
измерительной аппаратуры. Стационар-
ные стенды обычно предназначаются
для испытаний изделий определенного
типа.
Широкими возможностями облада-
ют лаборатории с силовыми полами
и мостовыми кранами высокой грузо-
подъемности. Силовой пол -- это мощ-
ная железобетонная плита, в верхней
части которой заподлицо с поверх-
ностью установлены шины, надежно
заанкеренные в теле бетона. Шины
могут быть выполнены в виде металли-
ческой коробки с прорезью (рис. 2.5).
В прорезь вставляются болты, к кото-
рым крепится испытуемый объект и си-
ловое оборудование.
Наличие силового пола позволяет
гибко устанавливать испытываемые
объекты, обустраивать их инвентарной
сборно-разборной оснасткой, широко
применять различные нагрузочные сис-
темы и измерительные комплексы.
При одновременном подключении все-
го измерительного комплекса к ЭВМ
достигается высокая степень автомати-
зации процессов управления экспери-
ментом и обработки полученной ин-
формации.
2 Зак 130
Примером приложения сосредото-
ченных нагрузок может служить прос-
тейший случай нагружения конструк-
ции на временном стенде (рис. 2.6).
К испытуемой балке прикладывается
с помощью домкрата 3, тяг 2,
поперечных траверс 1 сосредоточенная
сила. Естественно, что эксперименталь-
но создать идеализированную сосре-
доточенную нагрузку невозможно, но
если ее рассредоточить на площадке
длиной, составляющей 1/20 от пролета
балки, то разность в величинах мо-
ментов составит менее 3%, а проги-
бов — 5%. Силовая траверса 4 переда-
ет усилие на анкеры 5.
Схема нагружения железобетонной
балки представлена на рис. 2.7. Ме-
таллические фермы 2 располагаются
по обеим сторонам испытываемой бал-
ки /. С помощью продольных тра-
верс 5 нагрузка передается от дом-
крата на две точки балки. Домкрат
4 опирается в верхний узел фермы
через траверсу 3. На опоры металли-
ческой фермы передается лишь соб-
ственный вес балки и фермы.
В случае стационарного стенда
схема нагружения сосредоточенными
силами балки 5 представлена на рис.
2.8. Нагрузка от домкрата 2 переда-
ется через продольные траверсы 3.
С помощью поперечной траверсы 1
и анкера 4 реакция передается на осно-
вание 6.
iqwaiano понжъыяд
wannveoEQirouan .7 nwvg
поров nn'nyfidioHox экой ппнхдэв »м nyefidaoH
' ъэжИдгт: vwaxj // £ эп^ nhvpadau vwaxj gj % эп^
4O€fid?VH xiQHHavdQdduavd
-.mi^OVndu 1QW3XJ б £ эп<1
eojota<2,go шэовдоэоиэ пэ^пАзэн nnuveopavoon ndu yoefidavn xieeovno кпнажои^и neupado n npoiaw nevvj
ГС
2 2 Методы приложения статических сосредоточенных и распределенных нагрузок
35
При нагружении отдельных кон-
струкций необходимо предусматривать
мероприятия, которые препятствуют
потере устойчивости заданного
положения объекта. Существует много
способов приложения распределенной
нагрузки. Наиболее универсальный
прием связан с использованием штуч-
ных грузов. На рис. 2.9 представле-
ны схемы создания нагрузки на балку
2 путем установки кирпичных или
бетонных столбиков 1 (схема а) и
металлических грузов (схема б). При
испытании балок (рис. 2.10,2), имею-
щих малую ширину пояса <?, исполь-
зуется дополнительное устройство в ви-
де вспомогательной балки 5, которая
одновременно обеспечивает устойчи-
вость положения испытуемого объекта.
При использовании штучных грузов
4 можно создавать нагрузки, действую-
щие по произвольному закону изме-
нения по длине конструкции, распо-
ложенной на опорах 1. Однако такой
способ загружения является достаточ-
но громоздким.
Ширина каждого столбика не долж-
на превышать 1/6 пролета испытуемой
конструкции, между столбиками
должен быть зазор не менее 50 мм,
что исключает возможность сопри-
косновения верхних кромок столбиков
при изгибе конструкции.
При загружении конструкций с го-
ризонтальной поверхностью (рис.
2.11,5) можно использовать воду 2.
2*.
Для этого устраивается легкое ограж-
дение /, на поверхность конструкции
укладываются защитные полотнища из
брезента 3, а затем помещается емкость
из водонепроницаемого материала 4.
Этот способ обладает существенными
достоинствами: возможность точного
определения значений нагрузок по вы-
соте столба воды, плавность загрузки и
разгрузки, соблюдение заданного ско-
ростного режима загрузки и разгрузки.
Загрузка осуществляется подачей воды
из водопроводной сети, а разгрузка —
откачкой воды насосами или с помощью
сифона. Недостаток данного способа
заключается в том, что использовать
его можно лишь при положительной
температуре.
Равномерно распределенную нагруз-
ку можно создать, используя давле-
ние воздуха. Для этого на поверхность
конструкции укладываются воздухоне-
проницаемые мешки, помещенные в за-
щитные брезентовые чехлы. Над мешка-
ми создается жесткий навес, а затем
с помощью сжатого воздуха в меш-
ках обеспечивается необходимое дав-
ление.
При испытании сосудов применение
сжатого воздуха запрещено, так как в
случае разрушения сос’уда возможно
разрушение окружающих конструкций
и гибель людей. Допускается использо-
вать сжатый воздух в том случае, ког-
да испытания проводятся в замкнутых
боксах.
36
Глава 2 Методы и средства приложения силовых нагрузок при исследовании несущей способности объектов
Распределенная нагрузка может
также имитироваться по схеме сосре-
доточенных нагрузок. При 10%-ной
погрешности по моментам в середине
пролета при равномерно распределен-
ной нагрузке она может быть замене-
на тремя силами. Обеспечение 5%-ной
погрешности требует приложения 4
сосредоточенных сил по длине пролета.
Число необходимых сил существенно
снижается, если считать их приложен-
ными на некотором малом конечном
участке.
Для имитации распределенной на-
грузки (рис. 2.12) для балки (а)
и плиты (б) системой сосредоточенных
сил можно воспользоваться передачей
усилий с помощью ряда рычагов.
2.3. Методы приложения
динамических нагрузок
Существуют следующие методы
приложения динамических нагрузок:
механические, гидравлические, пневма-
тические и электрические (электромаг-
нитные, электродинамические, магни-
тострикционные, пьезоэлектрические).
Для создания механическими спо-
собами циклических нагрузок на кон-
струкции, расположенные на вибро-
стендах, вибростолах, виброплатфор-
мах, применяются центробежные и кри-
вошипные механизмы. Скоростные и
ударные нагрузки осуществляются гра-
витационными, маятнико-гравитацион-
ными и другими механизмами.
Гидравлические способы основаны
на использовании механизмов преоб-
разования получаемой извне энергии
в энергию сжатой жидкости, преоб-
разовании энергии сжатой жидкости
в механическую энергию деформирова-
ния конструкций и преодолении сопро-
тивления движению объекта. Наиболь-
шей универсальностью при создании
динамических нагрузок обладают
электрогидравлические усилительные
системы. Скоростное воздействие и
удар осуществляют объемно-аккумуля-
торными, маховиково-насосными, цир-
куляционными устройствами.
Пневматический способ заключает-
ся в применении энергии сжатого
газа, получаемой при взрыве или путем
предварительного сжатия объемов газа.
Для создания циклических нагрузок
применяют струйные автоколебатель-
ные и объемно-струйные устройства.
Скоростные воздействия осуществляют
объемно-аккумуляторными и взрывны-
ми системами.
Электрические методы преимуще-
ственно используются при создании
циклических нагрузок. Электромаг-
нитные возбудители колебаний создают
силу в результате взаимодействия
ферромагнитного якоря с переменным
магнитным полем, возбуждаемым маг-
нитной системой в воздушных зазорах
между якорем и его полюсами. Элект-
родинамические возбудители колеба-
ний создают переменную силу в ре-
зультате взаимодействия проводника,
по которому протекает переменный
ток, с постоянным магнитным полем.
Магнитострикционные возбудители
колебаний представляют собой стержни
из магнитострикционных материалов
(никель, ферриты и др.) с обмоткой.
В этих возбудителях колебаний энергия
магнитного поля преобразуется в энер-
гию механических колебаний. Стержни
при их намагничивании изменяют свою
первоначальную длину. Относительное
удлинение при этом достигает значе-
ний 10-3—10~5. Пьезоэлектрические
возбудители колебаний основаны на
обратном пьезоэффекте, т. е. на
возникновении механических деформа-
ций при действии электрического поля
К материалам, в которых проявляются
пьезоэлектрические эффекты, относят-
ся кварц, сульфат лития, сегнетова
соль, сульфоиодид сурьмы, титанат ба-
рия и др.
Схема возбудителя колебаний пр>
использовании кривошипно-шатунног:
механизма представлена на рис. 2 13
Если длина шатуна АВ достаточнс
велика по сравнению с длиной криво-
шипа ОЛ, то точка В совершае-
гармоническое движение. Если жест-
кость пружины с невелика, а силам.
2 3 Методы приложения динамических нагрузок 37
Рис 2 13 Схема возбуждения Рис 2 14 Схемы
колебаний кривошипно-ша- вибрационных машин
тунным механизмом
сопротивления можно пренебречь, то
рассматриваемая система совершает в
определенном диапазоне частот колеба-
ния с заданной силой возмущения.
В обоих случаях предполагается, что
масса испытуемого объекта m мала по
сравнению с массой платформы М.
Достоинством данной системы является
ее простота, недостатком — возмож-
ность использования лишь при ста-
38
Глава 2 Методы и средства при юженич силовых нагрузок, при исследовании несущей способности объектов
ционарных режимах. Подобные уста-
новки в основном используются при
испытании моделей на вибростолах и
виброплатформах.
При испытании реальных конструк-
ций широко используется центробеж-
ное возбуждение. Механические вибра-
торы могут иметь как ненаправленный
характер возбуждения, так и характер
возбуждения с предварительно задан-
ным направлением. На рис. 2.14 пред-
ставлены три типа механических вибра-
торов с разными направлениями воз-
мущения.
На рис. 2.14,а представлена схема
механического вибратора ненаправлен-
ного типа. При его работе возбужда-
ются колебания, направленные по двум
Рис 2 15 Схемы Рис 2 16 Схема плунжер-
возбуждения колебаний ного гидропульса тора
гравитационными силами
координатным осям. Если не учитывать
динамические характеристики испытуе-
мого объекта или принять, что масса
последнего существенно меньше массы
основания (платформы), то на кон-
струкцию будут передаваться возмуще-
ния, определяемые выражениями
X = aiD2mcos(i)/; y==tzo)2msinw/,
где X — горизонтальная сила, действующая на
основание; Y—вертикальная сила; m—масса
дебаланса; а — расстояние от центра вращения
до центра массы; со — угловая скорость; t —
время.
В случае уравновешенной системы
в простейшем случае (рис. 2.14,6)
2 3 Методы приложения динамических нагрузок 39
Рис 2 17 Схема роторного
гидропульсатора
Рис 2 18 Схема взрывной
камеры
возникает лишь одна вертикальная
составляющая, равная
Y=2а(о2 msinco/
В случае, представленном на рис.
2.14,в, направление равнодействующей
силы зависит от взаимного направле-
ния вращения неуравновешенных масс.
Применение машин с неуравновешенны-
ми массами приводит к возбуждению
сложных колебаний, причем основным
достоверно фиксируемым фактором при
этом являются частоты собственных
колебаний.
Недостатком вибрационных машин
механического действия является их
большая масса и сложность их креп-
ления к строительным конструкциям
в натурных условиях. Механические
вибромашины обладают существенны-
ми инерционными свойствами, что огра-
ничивает область их использования
при создании периодических возмуще-
ний негармонического характера, а тем
более случайных возмущений.
Использование вибрационных воз-
будителей механического действия поз-
воляет определять спектр частот изу-
чаемого объекта, а при соответствую-
щем расположении на конструкции
вибратора — и формы колебаний.
Нагружение при заданной скорости
воздействия осуществляется при ис-
пользовании соответствующих стан-
дартных машин, позволяющих испыты-
вать элементы конструкций и мало-
габаритные модели на различные сило-
вые нагрузки, вызывающие растяжение,
сжатие, изгиб, кручение элементов и
комбинацию отмеченных нагружений.
Создание удара гравитационным
воздействием иллюстрируется на рис.
2.15. В первом случае (рис. 2.15,а)
груз падает с заданной высоты Н
на подкладку, защищающую конструк-
цию от местного разрушения, скорость
груза в момент соприкосновения с
площадкой равна v ==^j2gH. Во втором
случае (рис. 2.15,6) груз при падении
внезапно передает нагрузку на кон-
струкцию. В обоих случаях масса
грузов должна быть существенно мень-
ше массы конструкции. В ином случае
присоединение массы груза к конструк-
ции исказит ее динамические характе-
ристики. Эти два способа достаточно
просты, но при ударном возбуждении
процесс колебаний может быть доста-
точно сложным из-за одновременного
возбуждения ряда гармоник. Создание
горизонтальных колебаний можно осу-
ществить баллистическим маятником
(рис. 2.15,в).
На рис. 2.15,г представлен случай,
когда конструкция первоначально от-
клоняется от состояния равновесия, а
затем внезапно освобождается от свя-
зей перерезанием троса 1. Как правило,
такой прием позволяет выявить соот-
ветствующие формы и частоты коле-
баний.
Схема возбуждения колебаний плун-
жерным гидропульсатором представле-
40
Г лава 2 Методы и средства приложения силовых нагрузок, при исследовании несущей способности объектов
на на рис. 2.16. При вращении
кривошипа 1 со скоростью со из
цилиндра 2 пульсатора вытесняется
жидкость, приводящая в движение
плунжер 3. Для регулирования дина-
мических характеристик гидропульса-
тора в гидравлическую цепь включают
аккумулятор 4.
Несколько иная схема возбуждения
колебаний у роторного пульсатора
(рис. 2.17). Соответственно этому и
принцип его работы отличается от плун-
жерного пульсатора. Принцип работы
роторного пульсатора заключается
в том, что по двум гидравлическим
каналам 4 с помощью золотникового
распределителя 6 и статорного кольца
7 создается избыточное давление и
вакуум, а при наличии аккумулятора
3 — знакопеременное возбуждение. Ро-
торный гидропульсатор 5 связан с ко-
робкой гидроцилиндра /, в котором воз-
буждается движение массы М2, соз-
дающей внешнее возмущение строи-
тельной конструкции или ее фрагмента.
Если обеспечить самостоятельное
вращение в противоположные стороны
ротора со скоростью сщ и золотни-
кового распределителя со скоростью
(02, приводимого во вращение тиристор-
ным приводом, то скорость привода
распределителя полностью определяет
частоту переменного потока пульсато-
ра, а следовательно, и частоту воз-
буждения колебательной системы.
В практике лабораторных исследо-
ваний конструкций применяется взрыв-
ной способ создания кратковременных
нагрузок. На рис. 2.18 приведена схема
взрывной камеры, в которой кратко-
временная нагрузка на модель осущест-
вляется путем взрыва тротила или
иного взрывчатого вещества 1. По
мере удаления ударного фронта от заря-
да давление в нем выравнивается и
испытуемый объект 3 воспринимает
равномерное давление 2. Для создания
давления, изменяющегося во времени,
на пути прохождения фронта устанав-
ливаются диафрагмы, разрушаемые
давлением, что трансформирует закон
изменения давления во времени.
Рис 2 19 Схемы
электромагнитных
возбудителей колебаний
Рис 2 20 Схема
электродинамического
возбудителя колебаний
На рис. 2.19 представлены две
возможные схемы электромагнитных
возбудителей колебаний. На схеме а
представлен возбудитель, в котором от-
сутствует поляризация участков магни-
топровода 3, на схеме б поляриза-
ция осуществляется пропусканием пос-
тоянного тока через одну из обмоток.
Здесь 1 — рабочая масса, 2 — систе-
ма подвеса, 3 — магнитопровод.
В отличие от ’ электромагнитного
возбудителя колебаний в электродина-
мическом переменная сила создается за
счет взаимодействия проводника
(рис. 2.20,/), по которому протекает
переменный ток, с постоянным маг-
нитным полем, создаваемым катушка-
ми подмагничивания 2. Рабочая масса
3 опирается на систему подвеса
4, которая крепится к корпусу 5.
2 3 Методы приложения динамических нагрузок 41
Рис 2 21
создания
нагрузок
Блок-схема Рис 2 22 Схема
динамических шестикомпонентной
виброплатформы с числом
возбудителей, равным числу
необходимых связей
Керн 6 обеспечивает центрирование
массы.
Гидравлические и электрические ме-
тоды используются как для создания
детерминированных, так и случайных
воздействий. Схема создания динами-
ческих нагрузок с использованием ЭВМ
представлена на рис. 2.21.
На рис. 2.22 представлена схема
шестикомпонентного вибростенда, поз-
воляющего возбуждать линейные коле-
бания по направлению трех коорди-
натных осей и вращательные колеба-
ния относительно этих же осей.
МЕТОДОЛОГИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ
3.1. Основные метрологические
характеристики
средств измерений
При испытании сооружений и
их моделей получение информации о
работе изучаемой системы основано на
измерении физических величин с по-
мощью технических средств.
Достоверность полученных экспери-
ментальных данных зависит от выбран-
ных параметров средств измерений,
от того, в какой мере метрологи-
ческие характеристики средств измере-
ний отвечают требованиям проводимо-
го эксперимента.
К основным параметрам, характе-
ризующим средства измерения, от-
носятся: статическая градуировочная
характеристика, чувствительность из-
мерительного прибора (преобразовате-
ля), коэффициент преобразования,
порог чувствительности, диапазон из-
мерений, информативность, а также
динамические характеристики —
амплитудно- и фазочастотная, пере-
ходная, время установления показа-
ний.
Вид функции преобразования
средства измерений определяет его
градуировочная характеристика, уста-
навливающая зависимость между зна-
чениями величины на входе и выходе.
Такая зависимость представляется
в виде таблицы, формулы или графика
(рис. 3.1).
Отношение изменения сигнала на
выходе измерительного прибора А0 к
вызывающему его изменению на входе
АХ — называется чувствительностью
прибора S. Если градуировочная хара-
ктеристика преобразователя линейна,
его чувствительность может опреде-
ляться коэффициентом преобразо-
вания /(П = 0/Х. Протяженность линей-
ного участка — диапазон измерений
Да зависит от свойств измерительного
прибора и от допускаемой, т. е. норми-
рованной для данного средства изме-
рения, погрешности б (см. рис. 3.1).
Верхний и нижний пределы измерения
определяются уровнем принятой пог-
решности измерений. За нижний пре-
дел — порог чувствительности Хп —
принимается минимальное значение из-
меряемой величины, при котором обна-
руживается сигнал на выходе прибора.
Диапазон измерений и порог чув-
ствительности позволяют определить
обобщен'ную характеристику средства
измерения — его информативность или
разрешающую способность Q:
Q = ln(4n/2kn),
которая тем больше, чем шире диапа-
зон и ниже уровень суммарной погреш-
ности используемого комплекса изме-
рительных средств.
При динамической градуировке из-
мерительных преобразователей регист-
рируется их реакция на эталонные сиг-
налы в виде гармонических колеба-
ний различной частоты или импуль-
сных воздействий. В условиях уста-
новившихся гармонических колебаний
получают амплитудно-частотную харак-
теристику и устанавливают степень
нелинейности амплитудной характери-
стики. Амплитудно-частотная характе-
ристика представляет зависимость
чувствительности градуируемого сред-
ства измерений от частоты колебаний;
а степень нелинейности — зависимость
чувствительности от амплитуды сигна-
ла при фиксированной частоте.
На рис. 3.2, а показана ампли-
тудно-частотная характеристика изме-
3 I Основные метрологичес кие характеристики средств измерений 43
Рис 3 2 Характеристики
измерительных
преобразовате лей
Рис 3 1 Статическая
градуировочная
характеристика
а)
рительного прибора. Ординаты кривой
представляют отношение чувствитель-
ности на рассматриваемой частоте к
Кп, полученному при статической
градуировке. Нижний предел диапазо-
на fH так же, как и верхний предел
fB частотной характеристики, опреде-
ляются заданным допуском Дс норми-
рованной погрешности относительно
средней частоты соответствующих
диапазонов. Переходная характеристи-
ка приборов устанавливает связь между
заданным скачкообразно изменяющим-
ся во времени входным сигналом и
мгновенным значением выходного
сигнала. На рис. 3.2,6 приведена пе-
реходная характеристика акселеромет-
ра. Ординаты кривой 1 представляют
собой отношение сигнала на выходе
к его установившемуся значению
Ху. Входной сигнал показан прибли-
женно в виде прямоугольного импуль-
са 2. Искажение фронта импульса
характеризуется временем установле-
ния показаний и пиковым значением
переходной характеристики Хп. За вре-
мя установления показаний принима-
ется промежуток времени /у с момента
скачкообразного изменения измеряе-
мой величины до момента, когда зна-
чение выходного сигнала войдет в зону
установившегося состояния (заданной
ширины Qy).
Инструментальная погрешность
отражает конструктивные особен-
ности измерительного преобразователя
и включает погрешности его градуи-
ровки. Методические погрешности
возникают от того, что первичный
преобразователь неправильно воспри-
нимает или искажает измеряемую ве-
личину. Эти погрешности могут быть
обусловлены, например, несоответстви-
ем между размером базы тензометра
и градиентом измеряемой деформации,
а также влиянием прибора на иссле-
дуемые свойства объекта. Каким бы
идеальным ни был тензометр с точки
зрения линейности и чувствительности,
но, помещенный внутрь твердого тела,
он в той или иной степени вносит
44
Глава 3 Методология экспериментальных исследований
искажение в исследуемое напряженное
состояние. Выходной сигнал такого тен-
зометра отражает искаженное им де-
формированное состояние, а не то,
которое существовало бы в исследуе-
мой области при отсутствии тензометра.
В приведенных примерах причина
погрешности полученных результатов
заключена в самом методе измерения.
Для анализа методических погрешно-
стей требуется проведение теорети-
ческих исследований, а также разра-
ботка специальных метрологических
приемов и образцовых устройств,
которые воспроизводили бы все спе-
цифические условия и особенности дан-
ного измерения.
На работу измерительных приборов
оказывают влияние внешние факторы:
атмосферные, температурные, электри-
ческие помехи и др. В лабораторных
условиях влияние этих факторов можно
снизить до допустимых пределов. Сум-
марная погрешность средства измере-
ния, возникающая при нормальных
условиях аттестации прибора (при
температуре воздуха 20°С, влажности
60% и т. д.), называется основной
погрешностью. Изменение погрешности
преобразователя, вызванное помехами,
рассматривается как дополнительная
погрешность. Дополнительные погреш-
ности приводятся обычно в виде коэф-
фициентов или функций влияния
Чг(^), которые нормируются отдельно
для каждого влияющего фактора: тем-
пературы, влажности и т. д.
Основная и дополнительная погреш-
ности включают случайные и система-
тические составляющие. Случайная сос-
тавляющая погрешности измерений
возникает по неизвестным причинам
и проявляется в том, что при повтор-
ных измерениях постоянной величины
получают различные ее значения, т. е.
имеет место некоторый разброс зна-
чений результатов измерений. Для
уменьшения случайной составляющей
погрешности измерений увеличивают
число повторных измерений, статисти-
ческая обработка которых позволяет
усреднить полученные результаты и вы-
делить среднее значение случайных
отклонений. Уменьшать случайную сос-
тавляющую погрешности целесообраз-
но до тех пор, пока средняя квадра-
тическая ошибка окажется значительно
меньше величины систематической
погрешности. Необходимое число пов-
торных отсчетов можно установить
только после оценки суммарной систе-
матической погрешности средств изме-
рений.
Систематическую погрешность вы-
зывает неправильно определенная
чувствительность, несовпадение градуи-
ровочных характеристик при прямом и
обратном ходе (гистерезис) и пр.
Систематические погрешности вызыва-
ют также постоянно действующие вли-
яющие факторы. В метрологии разра-
ботаны специальные приемы, позволяю-
щие снизить или исключить из резуль-
тата измерений ряд систематических
погрешностей. К таким приемам отно-
сятся:
стабилизация параметров средств
измерений, т. е. выбор стабильных
режимов работы прибора, предвари-
тельное старение нестабильных элемен-
тов и пр.;
защита прибора от действия влияю-
щих величин или стабилизация зна-
чений влияющих величин: гидроизоля-
ция, экранирование магнитных полей,
стабилизация источников питания
и т. д..;
автокомпенсация погрешностей по
знаку, что позволяет известную по
природе погрешность вводить в ре-
зультат измерения дважды, но с раз-
ным знаком;
проведение вспомогательных изме-
рений влияющих величин, что дает
возможность при известной функции
влияния вносить в результаты изме-
рений поправки.
Широкое применение находит и
так называемый способ замещения,
заключающийся в том, что в процессе
эксперимента вместо измеряемой вели-
чины производится периодическое под-
ключение образцовой меры. Получа-
емые при этом отклонения измеренных
3 2 Основы теории планирования эксперимента
45
значений меры от ее действительной
величины характеризуют изменение
масштаба преобразования и использу-
ются для внесения поправок в резуль-
таты измерений.
Указанные приемы исключения сис-
тематических погрешностей будут
проиллюстрированы при рассмотрении
конкретных измерительных средств.
При проведении испытаний непо-
средственно измеряются физические ве-
личины: перемещение, скорость пере-
мещения, ускорение, деформация и др.
Вместе с тем, механическое напряже-
ние ох, внутренние усилия в сечении
(изгибающий момент Мх, поперечная
сила Qx) не могут быть непосред-
ственно измерены и для их определе-
ния в эксперименте необходимо вос-
пользоваться аналитическими выраже-
ниями, устанавливающими связь меж-
ду ох, Мх, Qx и измеряемыми физи-
ческими величинами.
С помощью косвенных измерений
устанавливают фактическую жесткость
Е1Х изгибаемых элементов, жесткость
узлов, податливость опорных закрепле-
ний и другие параметры, характе-
ризующие действительную работу кон-
струкций. Поскольку при проведении
косвенных измерений используется за-
висимость искомой величины у от
непосредственно измеряемых — Xi, хг,
хп:
= Х2, х3, хп), (3.1)
то достоверность результата будет
зависеть не только от инструменталь-
ной погрешности измерений величин
Х1, Х2, ..., Х/г, но и от того, в какой
степени выражение (3.1) соответствует
действительным условиям работы эле-
мента конструкции, т. е. от методи-
ческой погрешности.
Инструментальную погрешность
косвенно определяемой величины мож-
но вычислить по формуле
Лу/у=д12 [(d ln f / dxi) Axz]2 ’
где Axi, ДХ2, ..., Дхл — абсолютные погреш-
ности измерений величин х\, Х2, ..., хп зави-
симости (3.1).
3.2. Основы теории
планирования эксперимента
Первым этапом планирования
эксперимента является построение ма-
тематической модели исследуемого яв-
ления. Для этого необходимо устано-
вить соотношения между изучаемыми
параметрами и измеряемыми величи-
нами, что позволяет обоснованно подоб-
рать средства измерения, уровень до-
пустимых погрешностей, выбрать
способ обработки опытных данных и
форму представления результатов ис-
следования.
Процедура построения математи-
ческой модели зависит от задач эк-
сперимента и основывается на анализе
априорной информации об исследуемом
явлении. Если еще не получены
соответствующие уравнения, описываю-
щие изучаемое явление, то на основе
априорной информации составляют
перечень всех возможных величин,
которые могут быть существенными для
рассматриваемого явления и матема-
тическую модель записывают в виде
зависимости (3.1), где измеряемые
независимые переменные xi, хг, хп
в терминах теории планирования экспе-
римента называются факторами, ре-
зультаты эксперимента у — параметром
оптимизации (откликом), a f—функ-
цией отклика.
После того, как сформулированы
задачи исследования и составлена
модель изучаемого явления должны
быть установлены область определения
факторов; способы их измерения; число
уровней и значения интервалов варьи-
рования каждого фактора.
Область определения факторов, как
правило, ограниченная. Ограничением
верхнего предела является, например,
некоторый предельный уровень возмож-
ных деформаций (перемещений), а ниж-
него предела — точность измерения.
Чем ниже точность измерений, тем
46
Глава 3 Методология экспериментальных исследований
меньше возможное число дискретных
значений или уровней фактора.
Назначение числа уровней факторов
зависит также от характера функции
отклика. В случае, когда функция
отклика известна, то уровни выбирают
так, чтобы получить значения экспе-
риментальных данных вблизи характер-
ных точек (например, в области ожи-
даемого перехода в пластическую об-
ласть деформирования, появления мик-
ротрещин, состояния потери устойчи-
вости и т. д.). Если для описания
исследуемого явления принимается ли-
нейная модель, то достаточно устано-
вить лишь два уровня: верхнюю и
нижнюю границу интервала варьиро-
вания. В относительных координатах,
отнесенных к значению интервала
варьирования факторов, эти уровни
обозначаются -|-1 и —1 (или просто
«-|-» и «—»). Уровни, записанные
в таких обозначениях, называются
нормированными.
Таким образом, область определе-
ния факторов и принятое число уров-
ней позволяют установить факторное
пространство плана. Каждая ось фак-
торного пространства соответствует
одному фактору, а совместная область
определения образует к — мерный
объем (к — число независимых факто-
ров).
Составим план проведения однофак-
торного эксперимента, в котором одна
независимая варьируемая переменная
х и одна зависимая (измеряемая в
процессе испытаний) переменная у.
Например, определение модуля упруго-
сти стали при растяжении образца.
Здесь варьируемой переменной являет-
ся нагрузка или напряжение о, дей-
ствующее в образце, и зависимая пере-
менная 8— деформация, измеряемая
в процессе нагружения. Поскольку
само понятие модуля упругости пред-
полагает линейную зависимость о—8,
то математическую модель результата
опыта можно представить в виде
у=аъ-\-Ьх. (3.2)
Переменную х достаточно варьиро-
вать на двух уровнях (-|-1 и — 1),
но в общем случае, когда необходима
проверка пригодности модели, число
уровней увеличивают до трех, четырех.
Нижняя граница интервала варьиро-
вания х определяется, как отмечалось,
погрешностью измерения зависимой пе-
ременной у, а верхний уровень в данном
опыте имеет конкретный физический
смысл — это предполагаемый предел
пропорциональности испытываемого
материала опц.
Рассматриваемый эксперимент от-
носится к категории воспроизводимых
экспериментов, т. е. один и тот же
образец можно нагружать многократно,
возвращаясь всякий раз к его исходно-
му состоянию.
Согласно принятой модели (3.2)
изучаемого явления при аппроксимации
результатов опытов некоторой прямой
должно выполняться условие у — а —
Ьх = 0. Однако при подстановке в дан-
ное уравнение фактических значений
yi и Xi в силу рассеивания резуль-
татов это условие примет вид
yi — ао — bxi = bi, i=\, 2, 3, ..., п,
где 6, — отклонения от центра распределения;
i — номер опыта; п — число опытов.
Прямая, проходящая вблизи мно-
жества экспериментальных точек,
должна занимать положение, при кото-
ром сумма квадратов отклонений от
этой прямой минимальна:
min.
i= 1
Преобразование и решение системы
уравнений дает для искомых коэффи-
циентов выражения (3.2) следующие
расчетные формулы:
п п п п
У, У/У Х/~У УЛ/2 xi
3 2 Основы теории планирования эксперимента
47
xi
Метод наименьших квадратов с ус-
пехом применяется и в случае аппрок-
симации нелинейных зависимостей, ког-
да ставится задача отыскания функ-
ции, отражающей осредненную зави-
симость величины у от х. Такая
функция называется регрессией,
а связанный с этим методом регрес-
сионный анализ является основным
инструментом обработки опытных дан-
ных при планировании эксперимента.
В рассмотренных планах учитыва-
лись ошибки измерения лишь одной
переменной у, а значения независи-
мой переменной х принимались
строго фиксированными. В действитель-
ности, например при варьировании
нагрузки, показания динамометра мо-
гут зависеть от того, получено ли задан-
ное усилие в процессе увеличения или
уменьшения нагрузки, при непрерывном
или ступенчатом нагружении. Для ком-
пенсации таких факторов используют
прием рандомизации последователь-
ности нагружения, заключающийся
в том, что при повторных испытаниях
уровни нагружения назначаются в про-
извольной последовательности.
Если эксперимент невоспроизводи-
мый, как в случае получения диаграм-
мы деформирования материала, то сама
последовательность нагружения не
может быть назначена произвольно,
поэтому в таком эксперименте может
быть применен только последователь-
ный план. Однако и здесь при про-
ведении повторных опытов возможна
рандомизация условий эксперимента
с целью усреднения влияния внешних
неконтролируемых факторов или фак-
торов, которые не учитываются приня-
той математической моделью исследу-
емого явления.
Таблица 3 1 РАНДОМИЗИРОВАННЫЙ ПЛАН
ЭКСПЕРИМЕНТА
Марка испытатель- ного пресса Тип деформометра
lI 11 1 III 1 IV
Типоразмер образцов
А 1 2 3 4
В 3 4 1 2
С 2 1 4 3
д 4 3 2 1
Например, при испытании образцов
для получения диаграммы деформиро-
вания бетона экспериментатор распо-
лагает кубиками четырех типоразме-
ров. Для сокращения времени прове-
дения эксперимента кубики предполага-
ется испытывать параллельно на четы-
рех прессах разной мощности. При
этом известно, что и масштабный фак-
тор и различие накопленной упругой
энергии в системе «образец-машина»
оказывают влияние на результаты ис-
пытаний. Однако учесть влияние этих
факторов не представляется возмож-
ным: эксперимент по-прежнему одно-
факторный, и внешние переменные не-
обходимо компенсировать. Рандомизи-
рованный план такого эксперимента со-
ставляется в зависимости от марки
испытательного пресса, типа деформо-
метров и типоразмеров образцов и
имеет следующий вид (табл. 3.1).
Из таблицы видно, что каждый
вариант испытаний встречается только
один раз. Построенный план экспе-
римента называется латинским квадра-
том.
В рассматриваемом однофакторном
эксперименте результаты, полученные
для каждой комбинации факторов,
необходимо усреднить. Планы подоб-
ного типа могут быть использованы и в
многофакторном эксперименте; в соче-
тании с дисперсионным анализом они
позволяют исследовать фактическое
влияние на результаты испытаний каж-
дого фактора в отдельности.
Многофакторный эксперимент.
Если изучаемое явление описывается
функцией нескольких независимых пе-
48
Глава 3 Методология экспериментальных исследований
ременных, то такой эксперимент назы-
вается многофакторным и при его
планировании используют либо фактор-
ный план, либо классический план.
Классический план строится так, чтобы
в каждом опыте варьировалась лишь
одна переменная, а значения всех
остальных независимых переменных
поддерживались на определенном, пос-
тоянном уровне. Поочередно варьируя
каждую независимую переменную, ус-
танавливают исследуемые зависимости.
Например, изучается зависимость
механических характеристик материала
от температуры испытания. Это двух-
факторный эксперимент, математиче-
скую модель которого = <р(х, z) можно
представить в виде последовательности
отдельных функций г/==ф(х) при различ-
ных значениях параметра z. С этой
целью в пределах изучаемого темпе-
ратурного диапазона' устанавливают
необходимое число уровней переменной
z, и затем для каждого температур-
ного уровня проводят испытание образ-
цов в заданных изотермических усло-
виях. Таким образом, классический
план многофакторного эксперимента
представляет собой совокупность одно-
факторных экспериментов. Такому под-
ходу свойственны следующие недос-
татки. Во-первых, не всегда удается
стабилизировать все независимые пере-
менные и поддерживать их значения
на заданном уровне. Во-вторых, при
равных объемах экспериментов, по-
строенных по схеме классического и
факторного плана, точность последнего
существенно выше. И, наконец, фак-
торное планирование позволяет иссле-
довать сложные системы, в которых
последовательно разграничить влия-
ние переменных практически невозмож-
но. Приведем основные понятия фактор-
ного планирования и примеры исполь-
зования факторных планов при опре-
делении внутренних усилий в стержне-
вых системах. Пусть изучаемый пара-
метр у линейно связан с к незави-
симыми переменными xi, хг, ...» х*.
Уравнение регрессии записывается в
виде
Рис 3.3. Схема оценки коэффициента регрессии при
варьировании переменной на двух уровнях
i/ = aoXo + aiXi+ ... +«***, (3.3)
где х0 — переменная, введенная для оценки
свободного члена ао.
Эту задачу можно решать одно-
факторным методом, варьируя каждую
переменную по очереди. Если при этом
для каждой переменной сделано m
повторных опытов и переменные варьи-
руют только на двух уровнях -|-1 и
— 1, то коэффициенты регрессии
a, = tgp (рис. 3.3) оцениваются по
результатам двух опытов
ai = (yi — yo) /2, (3.4)
а дисперсия коэффициентов регрессии
определяется как
sL = ^/2/n - (3-5)
где Si характеризует погрешность измерения
параметра у при условии, что в каждом опыте
погрешность измерения одинакова.
Следовательно, значения SL не
зависят от общего числа переменных
х*, поскольку каждая переменная изу-
чается в отдельности.
Изменим план эксперимента. Пусть
в каждом опыте варьируются все пе-
ременные сразу. Рассмотрим для опре-
деленности трехфакторный эксперимент
и воспользуемся матрицей планирова-
ния, приведенной в табл. 3.2.
Из таблицы видно, что минималь-
ное число опытов равно четырем
3.2 Основы теории планирования эксперимента 49
Таблица 32 МАТРИЦА ПЛАНИРОВАНИЯ
Номер опыта Факторы
Хо Х1 Х2 Хз
1 + 1 -1 — 1 + 1
2 + 1 + 1 — 1 — 1
3 + 1 — 1 + 1 — 1
4 + 1 +1 + 1 + 1
(3+1), т. е. на один больше числа
независимых переменных. Особен-
ностью такого плана является то, что
все коэффициенты регрессии могут
быть определены независимо друг от
друга по формуле
*+i
/=1
где у} — значение измеряемого параметра
в /-м опыте; хг/ — значение f-го фактора в
/-м опыте.
Дисперсии оценок коэффициентов
регрессии вычисляются как
Возвращаясь к рассмотрению линей-
ной задачи с тремя независимыми
переменными, сравним значения коэф-
фициентов регрессии в случае примене-
ния однофакторного и многофактор-
ного плана.
При одинаковом общем числе опы-
тов дисперсия коэффициентов регрессии
многофакторного плана равна sL —
= s^/(4m), т. е. в 2 раза меньше, чем
в первом случае. Если число незави-
симых переменных й = 7, то применение
многофакторного планирования дает
выигрыш в точности по сравнению с
классическим планом в 4 раза. Сле-
довательно, с ростом числа независи-
мых переменных эффективность много-
факторного эксперимента возрастает.
Таким образом, при выборе плана экс-
перимента одним из критериев его
оптимальности является минимум дис-
персии коэффициентов регрессии иссле-
дуемой модели.
В полном факторном плане реали-
зуются все возможные комбинации
уровней всех независимых переменных.
Так, при двух переменных, варьируемых
на двух уровнях, план состоит из четы-
рех опытов, матрица планирования ко-
торых подобна табл. 3.2, где столбец
х3 заменен столбцом xix2. Результаты
эксперимента можно представить не-
полным квадратным уравнением в виде
£/ = aoxo-|-aiXi+a2X2 4-ai2Xix2, (3.6)
которое содержит один нелинейный
член ai2XiX2- Коэффициент aj2 является
оценкой эффекта взаимодействия фак-
торов Xi и х2.
Планы такого вида называются пол-
ным факторным экспериментом типа
2*, где k — число независимых пере-
менных, а 2 — число уровней варьиро-
вания переменных.
С позиций планирования полного
факторного эксперимента рассмотрим
задачу об определении внутренних уси-
лий в сечении стержня. С этой целью
в процессе эксперимента предполагает-
ся определить в п точках нормаль-
ные напряжения о,. Пусть связь между
действующими в сечении внутренними
усилиями N, Мх, Му и нормальными
напряжениями линейна. Функция от-
клика (математическая модель) в этом
случае известна
а/ = NF~1 + Мх У] /Г1 + Му х, /71, (3.7)
где у;, Xj — координаты точек измерения о,;
F — площадь сечения; /х, 1У — моменты инерции
относительно соответствующих осей.
При решении этой задачи класси-
ческий план применить нельзя, посколь-
ку разделить переменные, т. е. фикси-
ровать в эксперименте значение каж-
дого внутреннего усилия по отдельности
невозможно.
В уравнении (3.7) контролируемые
переменные х/ и у, достаточно варь-
ировать лишь на двух уровнях (й = 2),
поскольку уравнение (3.7) линейное.
Таким образом, можно воспользоваться
планом типа 22. Для того чтобы уровни
варьирования привести к нормализо-
ванному виду (4-1, —1), преобразуем
50
Глава 3 Методология экспериш н гал >ны инаедований
масштаб факторного пространства. По-
ложение центра плана относительно
главных осей сечения найдем по фор-
мулам
y0=fx '2у/4- д.>=s 'X */4
Масштабы в «вправлении осей у и х
получим из выражений
У (Ч,Ч)
к у
<! !> < 0 -4 !>
V,*1)
‘^оР4 ’
I
I
а переход к нормализованным уровням
переменных произведем по формулам
^0/=(^Р'-р/% • Ч=(рЧ) kx
При этом область планирования ока-
зывается заданной координатами вер-
шин квадрата (рис. 3.4). Полученные
таким способом координаты точек уста-
новки тензометров максимально удале-
ны от центра плана, что позволяет
полностью использовать факторное про-
странство и обеспечить минимальную
дисперсию коэффициентов регрессии.
Сравнивая уравнение регрессии*
(3.6) плана типа 22 и математическую
модель исследуемого явления (3.7),
нужно отметить, что в последней взаи-
модействие координат yf и х, не имеет
реального смысла, поэтому коэффи-
циент af2->0 и матрица планирования
принимает вид, приведенный в табл.
3.3. Здесь число опытов (к+1) равно 4.
Таблица 33 МАТРИЦА ПЛАНИРОВАНИЯ
Номер опыта Факторы
Хо у, X,
1 . -1 -1
2 -н 4-1 — 1
3 -н -1 + 1
4 + 1 4-1 + 1
Рис 3 4 Графича кое планирования, заданной
и юбражение облает вершинами квадрата
Такой план называется ненасыщенным;
кроме оценки всех неизвестных он по-
зволяет также произвести проверку
адекватности выбранной математиче-
ской модели.
По результатам опытов искомые
оценки внутренних усилий находят из
выражений
— / п у /п , М — /. а хп./п .
<« 1—1 Г 1>1‘ о</ 1—1 I 0/'
1=1 /=1
Поскольку нормальное усилие N не
зависит от координат измерения оу,
то его оценку вычисляют как
Переход от No, Мок, Л4оу, вычисленных
в нормализованных переменных, к ре-
альным значениям оценок N, Мх,
Му осуществляют по формулам:
V F , М =Мп k~l ,
'' \ Ох у
м =Mnk-'
и о« х
Для проведения статистического
анализа уравнений регрессии необходи-
мо располагать результатами параллель-
3 2 Основы теории планирования эксперимента 51
ных и повторных измерений. Для про-
ведения параллельных измерений в
каждой исследуемой точке сечения
устанавливают несколько измеритель-
ных приборов. Воспроизводимые экспе-
рименты — например, исследование ра-
боты конструкции в упругой стадии
деформирования — позволяют реали-
зовать и повторные и параллельные
измерения. Невоспроизводимые экспе-
рименты допускают постановку только
параллельных измерений. Поскольку
оценка дисперсии результата измерений
зависит от объема повторных или па-
раллельных измерений, то минимальное
их число должно быть не менее 3.
Оценка дисперсии результатов измере-
ния, считая результатом измерения
напряжения оы/- в каждой и-и точке ус-
тановки тензометра, вычисляется по
формуле
m
где m — число повторных опытов; ои — среднее
значение напряжения в точке и.
Для получения усредненной оценки,
характеризующей рассеяние результа-
тов по всему исследуемому сечению
в целом, вычисляется дисперсия
п m
= S 2(%-’н)2/["('и-1')]. (3.8)
/=1/=1
где п — число недублированных точек измерения
в сечении.
Дисперсии оценок внутренних уси-
лий вычисляют по формуле
S^^=n~ 1 S2 ,
ON ОМ о ’
если переменные представлены в нор-
мализованном виде, и по формулам
(3.9)
У г
/ = 1
в случае реальных значений оценок.
Из выражения (3.9) следует, что
точность оценок внутренних усилий по-
вышается пропорционально сумме
квадратов координат установки тензо-
метров, т. е. минимизацию оценок
дисперсий дает план, в котором зна-
чения координат размещения измери-
тельных средств (ху, у,) по модулю
максимальны.
Помимо нахождения оценок вну-
тренних усилий статистический анализ
рассматриваемых уравнений регрессии
включает проверку значимости оценок
найденных усилий; определение для них
доверительной области и проверку
адекватности полученных уравнений
регрессии исходной математической мо-
дели.
Проверка значимости оценок. Если
при планировании рассмотренного экс-
перимента перечень неизвестных вну-
тренних усилий не может быть состав-
лен с полной определенностью, то в
уравнение регрессии следует включить
максимально возможное их число;
проверка значимости позволит исклю-
чить несущественные внутренние уси-
лия. Основой для оценки значимости
искомых неизвестных служит построе-
ние для них доверительных интервалов
IA6,.I = ±/р,„_Д9(. (З.Ю)
где 0/ — соответствующее внутреннее усилие,
tp^n-k — значение критерия Стьюдента при вы-
бранном уровне значимости (обычно 5%) и числе
степеней свободы, равном п — k. Здесь k —
число независимых переменных.
52
Глава 3 Методология экспериментальных исследований
Если абсолютное значение довери-
тельного интервала превышает абсо-
лютное значение соответствующего уси-
лия, то последнее признается незначи-
мым и исключается из уравнения рег-
рессии. При независимом оценивании
достоверности каждого найденного уси-
лия полученные доверительные интер-
валы (3.10) с заданной вероятностью
Р определяют область возможных зна-
чений этих усилий
0/ 0/ + Zp, n-k
т. е. характеризуют надежность най-
денных оценок.
Проверка адекватности,полученных
уравнений регрессии исходной мате-
матической модели. Если по условию
стержень работает в линейной области
деформирования и математическая мо-
дель (3.7) известна, то такая проверка
не требуется. Если на стадии планиро-
вания эксперимента вид математиче-
ской модели неизвестен, то проверка
адекватности обязательна; она произ-
водится с помощью критерия Фишера F
F = s2 /s2 ,
ад' о
где s« — дисперсия, вычисляемая по (3.8);
s ад — дисперсия, характеризующая рассеяние
результатов эксперимента относительно найден-
ного уравнения регрессии; вычисляется по фор-
муле
п
= 2 (3.11)
/=1
где О; — напряжение, вычисленное для /-го опы-
та с помощью уравнения регрессии; о, — на-
пряжение, полученное экспериментально.
Значение критерия Фишера срав-
нивают с табличным значением для
выбранного (обычно 5%) уровня зна-
чимости. Такие таблицы приведены в
любой литературе по математической
статистике. Для отыскания табличного
значения критерия F нужно также знать
числа степеней свободы, которые ис-
пользовались при вычислении диспер-
сии и S?. Согласно выражениям
(3.8) и (3.11) эти числа
f\=n(m — 1);
Ь=п-(^ + 1)-
Гипотеза адекватности принимается,
т. е. рассматриваемую модель следует
признать адекватной, если расчетные
значения критерия F не превышают
табличного значения.
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ
В ИНЖЕНЕРНОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ
4.1. Особенности измеритель-
ных средств
При проведении испытаний со-
оружений и их моделей обычно вы-
полняются измерения большого числа
параметров, характеризующих и про-
цесс нагружения, и поведение эле-
ментов конструкций под нагрузкой.
Такими параметрами являются силовые
и температурные воздействия, линейные
и угловые перемещения элементов кон-
струкций, скорость перемещений, уско-
рение и др. Измерение компонентов
относительных деформаций позволяет
определять напряженное состояние и
внутренние усилия, действующие в ис-
следуемых сечениях. Для измерения
перечисленных параметров используют-
ся десятки видов приборов и измери-
тельных преобразователей, основанных
на различном принципе действия,
отличающихся конструктивным реше-
нием, чувствительностью, измеритель-
ным диапазоном и другими характерис-
тиками. Требования, предъявляемые к
используемой аппаратуре, определяют-
ся, прежде всего, задачами проводимых
испытаний. При проведении натур-
ных испытаний и обследований соору-
жений предпочтение отдается прибо-
рам, которые могут быть быстро уста-
новлены на объектах, имеющих авто-
номное электрическое питание, доста-
точно широкий измерительный диа-
пазон. Эти качества достигаются в не-
которых случаях за счет снижения
чувствительности приборов и приме-
нения простейших механических преоб-
разователей с визуальным считыванием
показаний со шкалы прибора.
При испытании моделей сооружений
(обычно в лабораторных условиях)
становится возможным проведение бо-
лее полных исследований, включающих
моделирование различных режимов си-
ловых и температурных воздействий,
измерение в большом числе точек
исследуемых сечений конструкций де-
формаций, перемещений, температур.
В этом случае на модели устанавли-
ваются сотни и тысячи преобразова-
телей различного назначения. Посколь-
ку деформации и перемещения эле-
ментов моделей во много раз меньше,
чем в реальных сооружениях, важней-
шими требованиями к средствам изме-
рений становятся их высокая чув-
ствительность и помехозащищенность
(низкий уровень погрешностей изме-
рений). Установка большего числа
приборов выдвигает требования к их
минимальной массе и габаритам, не-
обходимым условием становится вы-
сокая скорость регистрации их пока-
заний. Перечисленными достоинствами
обладают современные электрические
измерительные преобразователи, при-
меняемые в сочетании с автоматизи-
рованными информационно-вычисли-
тельными комплексами.
4.2. Измерительные приборы
для проведения статических
испытаний конструкций
Механическими и оптическими
приборами осуществляется измерение
относительного перемещения фиксиро-
ванных точек на поверхности конструк-
ции или перемещение исследуемых то-
чек относительно неподвижного осно-
вания. В приборах механического типа
измеряемая величина — перемеще-
ние — с помощью системы рычагов или
системы шестерен преобразуется в от-
клонение стрелки на шкале прибора.
54 Глава 4 Методы и средства измерения в инженерном эксперименте
В оптических приборах роль рычагов
выполняют световые лучи, а регистра-
ция показаний может осуществляться
и визуально, и с помощью фотопленки.
При проведении испытаний нату-
рных конструкций и крупномасштаб-
ных моделей широкое применение на-
ходят следующие механические изме-
рители перемещений: барабанно-шесте
репчатый прогибомер, реечно-шестерен-
чатый индикатор, уровневый клинометр
и рычажный тензометр.
Прогибомер 1 (рис. 4.1) состоит
из корпуса, цилиндрического барабана,
систем шестерен. Поворот барабана 7
вызывает отклонение стрелки на шкале
5 и с помощью системы шестерен —
вращение осей 3 и 4. Соотношение
зубьев шестерен подобрано так, что
один оборот барабана вызывает 10
оборотов оси 3 и 100 оборотов оси
4. Цена деления соответствующих шкал
прогибомера: 1 см, 1 мм и 0,01 мм.
Поворот барабана прогибомера вы-
зывается перемещением огибающей
его проволоки 2, один конец которой
прикреплен к исследуемой точке кон-
струкции А, а другой —- к грузу 6 —
как показано на рис. 4.1. Корпус
прогибомера закрепляется на непод-
вижном основании. Достоинством про-
гибомеров этого типа является их
«бесконечный ход», т. е. отсутствие
ограничений на поворот стрелок всех
шкал. Это обстоятельство при перио-
дической регистрации показаний про-
гибомера позволяет измерять очень
большие перемещения и, кроме того,
предотвращает порчу прибора при об-
рушении испытываемого объекта. Вли-
яние температурной деформации про-
волоки должно быть учтено при об-
работке результатов измерений.
Индикатор перемещений (рис. 4.2)
относится к контактным приборам: с
помощью штифта / осуществляется
контакт с изучаемым элементом кон-
струкции. Перемещение штифта с за-
крепленной на нем зубчатой рейкой
2 вызывает поворот шестерни 4 и
стрелки шкалы <?, проградуированной
в мм. Один оборот шестерни 4
соответствует перемещению штифта на
10 мм и 10 оборотам шестерни 6 и
стрелки по шкале 5 с ценой деления
0,01 мм. Индикатор закрепляют с по-
мощью кронштейна или штатива на
неподвижном основании. Штифт при-
жимается к исследуемой точке на
конструкции пружиной 7.
4 2 Измерительные приборы для проведения статических испытаний конструкций 55
Рис 4 3 Кинематическая Рис 4 4 Схема рычажного
схема клинометра с уровнем тензометра
Клинометр — прибор, предназна-
ченный для измерения угла поворота
рассматриваемого сечения. На рис. 4.3
приведена кинематическая схема кли-
нометра с уровнем. Клинометр с по-
мощью струбцины закрепляется в за-
данном сечении конструкции и уровень
устанавливается в горизонтальное по-
ложение (воздушный пузырек совме-
щается с риской 2). Уровень 3 шар-
нирно прикреплен к основанию 1;
перемещение уровня относительно осно-
вания может быть выполнено с по-
мощью микрометрического винта 5.
Отсчет производится по лимбу 4,
который проградуирован в градусах уг-
ла наклона а. После нагружения кон-
струкции установка уровня в гори-
зонтальное положение повторяется и
снова снимается отсчет по лимбу.
Разность отсчетов равна искомому
углу поворота сечения.
Тензометр — измеритель деформа-
ции, показание которого пропорцио-
нально перемещению двух точек по-
верхности элемента конструкции. На
рис. 4.4 показана схема рычажного
тензометра. С помощью струбцины
1 заостренные грани опорных призм
тензометра прижаты к исследуемой по-
верхности; расстояние между призмами
I называется базой прибора. При де-
формации материала (например, сжа-
тии) и укорочении базы на Л/ рычаг
3 поворачивается относительно шар-
нира 5 (новое положение показано
пунктиром) и перемещает стрелку 2
по шкале 4. Масштаб увеличения тен-
зометра определяется соотношением
плеч рычагов — kn = (b/d) (d/c) и при-
мерно равен 1000. В результате
взаимное перемещение опорных граней
на А/==1 мкм вызывает отклонение
конца стрелки на одно деление шкалы,
равное 1 мм. Цена деления шкалы
в относительной деформации зависит от
базы / и определяется как ех = Д///.
Если градиент деформаций в пределах
базы тензорезистора отсутствует, то
для уменьшения цены деления шкалы
размер базы увеличивают. Обычно ры-
чажные тензометры выпускаются с ба-
зой 1 = 20 мм; с помощью прикреп-
ляемой к корпусу тензометра допол-
нительной пластины с опорной приз-
мой база может быть увеличена до 100
и даже 200 мм. Значительная база
56
Глава 4 Методы и средства измерения в инженерном эксперименте
измерений позволяет усреднить неодно-
родности деформирования, обусловлен-
ные дискретностью структуры материа-
ла, например, бетона с крупным запол-
нителем.
Оптические методы измерения пере-
мещений применяются в основном при
проведении натурных испытаний при
измерении перемещений элементов зда-
ний или сооружения в целом. Основны-
ми средствами измерений являются
геодезические приборы, теодолиты, ни-
велиры, стереофотокомпараторы и др.
Для фиксирования на сооружении опре-
деленных точек (или сечений) исполь-
зуются различного вида геодезические
марки и подвесные рейки с милли-
метровой шкалой.
Измерение горизонтальных переме-
щений осуществляется с помощью
теодолита, который устанавливается на
расстоянии 20—40 м от сооружения
(в зависимости от его высоты). В изме-
ряемых точках сооружения закрепляют
марки: полоски плотной бумаги или
лейкопластыря с нанесенным пере-
крестием линий. Методом последова-
тельного наведения теодолита на на-
блюдаемые марки на сооружении и
марку, укрепленную на неподвижном
основании, измеряют горизонтальные
углы. Зная расстояние от марок до
теодолита, вычисляют линейные пере-
мещения наблюдаемых точек.
Для определения крена элементов
сооружений применяют метод бокового
нивелирования. С этой целью внутри
сооружения или вне его устанавливают
теодолит и постоянными знаками отме-
чают створ АА' (рис. 4.5). Затем на
определенном расстоянии h к колоннам
поочередно прикладывают нормально
ориентированную рейку и берут отсчеты
при двух положениях трубы а\ и а2.
Угол крена колонн а определяется по
формуле
tga = (ai— a2)/h.
Фотограмметрическая съемка при-
меняется для определения положения
большого числа точек на сооружении
в одной плоскости х, z, параллельно
Рис 4 6 Схема,
иллюстрирующая связь
координат точек на снимке
с координатами
соответствующих точек
на поверхности сооружения
которой устанавливается плоскость
снимка; съемка выполняется с одной
точки.
Стереофотограмметрический метод
измерения перемещений используется в
тех случаях, когда необходимо опре-
делить пространственное положение то-
чек сооружения — в направлении осей
х, у, г. В этом случае с помощью
фототеодолита выполняется съемка с
двух точек, расстояние между которыми
В называется базисом съемки. На
рис. 4.6 показана схема связи ко-
ординат точек на снимке и коорди-
нат точек на поверхности сооружения
4 3 Измерения механических величин с помощью электрических преобразователей 57
Рассмотрена съемка, при которой опти-
ческие оси фототеодолита перпендику-
лярны линии базиса. Точке А на объек-
те (с горизонтальной координатой
X будут соответствовать проекции
хЛ и хп на снимке левого и правого
концов базиса. Проведем вспомогатель-
ную пунктирную линию dA' и из подобия
треугольников ОАА' и Ode получим
Ул// = В/(хл-|-хп); ГЛ=В(Ш;
Хл==Ул(Хл/Л; 2л=Ул(гл/П,
где ZA—вертикальная координата; f — фокус-
ное расстояние фотокамеры; УА—расстояние от
центра проекции до рассматриваемой точки
сооружения; хд, гд — координаты, измеренные на
левом фотоснимке; р = (хл4-*п) — продольный па-
раллакс определяемой точки.
Измерение координат и нахождение
параллаксов исследуемых точек выпол-
няется с помощью прецизионного опти-
ческого прибора — стереокомпаратора.
Погрешность определения перемещений
в плоскости сооружения, например, при
съемке с расстояния в 10 м составляет
менее 1 мм, а перемещений из плос-
кости сооружения — примерно 3 мм.
Применение геодезических методов
ограничено возможностью съемки и оп-
ределения перемещений элементов со-
оружения только в пределах прямой
видимости.
4.3. Измерения
механических величин с
помощью электрических
преобразователей
Электрические преобразователи
или датчики с электрическими преоб-
разователями отличаются исключи-
тельной универсальностью. С помощью
электрических датчиков измеряют де-
формации, перемещения, усилия, уско-
рения. Они могут применяться как в
лабораторных условиях, так и в усло-
виях натурного эксперимента, как при
статическом, так и при динамическом
воздействии. Выходной сигнал электри-
ческих преобразователей удобен для по-
следующего преобразования (усиления,
интегрирования), для дистанционной
передачи и регистрации.
На рис. 4.7 приведена структурная
схема универсальной информационно-
измерительной системы. Входящие в эту
систему электрические средства изме-
рений обеспечивают весь комплекс
преобразования информации, начиная
от восприятия измеряемой величины и
кончая ее автоматической обработкой
и регистрацией.
Первичные преобразователи пред-
ставляют собой линейную механиче-
скую систему, способную воспринять
значения измеряемой величины (пере-
мещения, ускорения, усилия и др.) и
преобразовать их в относительные пе-
ремещения или деформации собствен-
ных упругих элементов. Рассмотрим
принцип преобразования измеряемой
величины.
На рис. 4.8 приведена схема ме-
ханической системы первичного преоб-
разователя, установленного на иссле-
дуемой конструкции. На рассматрива-
емую механическую систему могут дей-
ствовать ускорение, возникающее при
динамическом перемещении конструк-
58
Глава 4 Методы и средства измерения в инженерном эксперименте
ции ик(/), и внешнее усилие P(t) (где
t — время, в частном случае / = 0).
Реакцией механической системы на оба
указанных воздействия будет пере-
мещение Х(/) массы гп. Движение мас-
сы т относительно исследуемой кон-
струкции описывается уравнением
X(t) + 2lX(f) + (О2 X(t) = - (/) + P(t)/m, (4.1)
где 5 = c/2m—относительный коэффициент
демпфирования; d) = ^k/in — частота собствен-
ных колебаний недемпфированной системы; k —
жесткость, с — коэффициент демпфирования си-
стемы.
При использовании рассматривае-
мой механической системы в качестве
первичного измерительного преобра-
зователя реализуется один из двух
принципов измерения: инерционный или
кинематический.
Кинематический принцип измерения
заключается в том, что реакция преоб-
разователя X(t) пропорциональна внеш-
ней силе P(t) или измеряемому пе-
ремещению конструкции wK(0 относи-
тельно неподвижного объекта, распо-
ложенного вне преобразователя. К пре-
образователям, основанным на кинема-
тическом принципе измерения, относят-
ся прогибомеры, динамометры, месдо-
зы, тензометры. При измерении пере-
мещений с помощью прогибомеров в
качестве неподвижной системы отсчета
используют находящийся вблизи иссле-
дуемого объекта фундаментный блок,
заделанную в грунт стойку или силовую
плиту испытательного стенда.
При реализации инерционного прин-
ципа параметры движения исследуемой
конструкции uK(/), uK(/), uK(f) измеряют
относительно искусственно созданной
неподвижной системы отсчета, выпол-
ненной в виде инерционного элемента,
прикрепленного к исследуемой кон-
струкции с помощью упругого подвеса.
Достоинство измерительных преоб-
разователей инерционного действия за-
ключается в том, что они устанав-
ливаются непосредственно на изучае-
мую конструкцию и для их исполь-
зования не требуется контакт с не-
подвижным объектом вне прибора. Од-
нако поскольку преобразователи инер-
ir.
Рис 4 8 Схема механической
системы первичного
преобразователя
Рис 4 9 Амплитудно-
частотная характеристика
преобразователя
инерционного типа
ционного действия реагирует лишь на
ускорение, они могут быть применены
только при исследовании динамических
процессов.
Рассмотрим режим работы, основ-
ные характеристики и источники по-
грешностей первичных преобразовате-
лей. Для анализа возможных ампли-
тудных и фазовых искажений преоб-
разователя инерционного действия рас-
смотрим случай установки его на объ-
ект, совершающий гармонические ко-
лебания с частотой р и амплитудой uq:
uK(t) = uosinpt.
В этом случае (поскольку Р(/) = 0)
движение системы, приведенной на
рис. 4.8, опишется уравнением
X(t) 4- 2£X(t) 4- (о2Х(/) = uop2s\npt.
Решение такого уравнения, как из-
вестно, можно представить в виде
Х=Х,4-Х2,
где Xi =Ae~ltsinM, X=^Ja)2 — ^2—частота соб-
ственных колебаний системы с учетом затуха-
ния, а
X2 = uop2 sin (pt + <р) / у(ш2-р2)2 + 4£2р2
(4.2)
описывает вынужденные колебания с
частотой, равной частоте воздействия
I И .w ;< Kf.\ i:e i > ш^чце/о jack раческих преобразователей
59
p; при этом угол относительного сдви
га фаз колебаний объекта и приве-
денной массы преобразователя
ф^агс(£|2£р/(и/ - р')\ (4 3)
Рассмотрим вынужденные колеба-
ния системы. Как следует из (4 2) и
(4.3), реакция колебательной системы
преобразователя Х(/) существенно зави-
сит от соотношения частот ш и р.
При I и малом демпфирова-
нии (2£<С<о) выражение (4.2) примет
вид:
Х-2 — X(t)^ uosinpt,
т. е. значения перемещений приве-
денной массы преобразователя X(t)
практически равны перемещениям ис-
следуемого объекта ик(/), но колебания
преобразователя и объекта совершают-
ся в противофазе. Это следует из вы-
ражения (4.3), поскольку ш<р и ко-
лебания преобразователя отстают на
угол ф, больший л/2 (ибо л/2<ф<л)
Рассмотренный режим работы преоб-
разователя носит название виброметри-
ческого, а первичные измерительные
устройства, содержащие преобразова
тель этого типа, называются вибро-
метрами перемещения.
Если колебательная система преоб-
разователя является относительно вы-
сокочастотной (т. е. 1), то режим
работы такого преобразователя акселе-
рометрический. Можно показать, что
перемещение приведенной массы пре-
образователя в этом случае пропор-
ционально ускорению исследуемого
объекта. Представим выражение
(4.2) в виде:
7 1 1
д, М t) _ х
tvd — p2/(n2)24-4g2p2/w 4J
X>7Tsin(p/4-(^/u)2|.
При небольшом затухании (£»0,1 —
0,2) первый член правой части урав-
нения стремится к 1, а выражение
/7np2sin(p/4-(p)==u\(/)
определяет ускорение колеблющегося
объекта. Следовательно, перемещение
механической системы преобразователя
(4.4)
пропорционально ускорению его осно-
вания, а 1/ш2 — коэффициент пропор-
циональности. При этом, поскольку
соД> р и угол ср изменяется в пре-
делах 0<С(р<л/2, то согласно (4.3)
колебания преобразователя и объекта
совпадают по фазе, а степень запазды-
вания перемещений преобразователя
зависит от коэффициента демпфирова-
ния £ и значения отношения р/со<1.
На рис. 4.9 приведены амплитудно-
частотные характеристики преобразо-
вателей инерционного типа, работаю-
щие в режиме виброметра переме-
щений и акселерометра. Кривые по-
строены для нескольких значений от-
носительного коэффициента затухания
На рис. 4.9, а кривые характе-
ризуют зависимость коэффициента
преобразования виброметра перемеще-
60
Глава 4 Методы и средства измерения в инженерном эксперименте
ния Х/ик от отношения частот р/со.
Условию Х = ик соответствует горизон-
тальный участок, к которому сходятся
все кривые при р/ы> 3 и D> 1. При
£)^0,7 нижнюю границу диапазона
измерения (с погрешностью преобра-
зования около 5%) можно расширить
до значений р/со^2. Уменьшение от-
носительного коэффициента демпфиро-
вания £><0,4 нецелесообразно, по-
скольку демпфирование сокращает вре-
мя переходного процесса, т. е. умень-
шает влияние собственных колебаний
преобразователя в начальный период.
Как показано на рис. 4.9, б,
чувствительность измерительных сис-
тем, работающих в режиме акселе-
рометра, также зависит от
отношения частот р/<о; при р/(£ =
= 0,1—0,2 условие (4.4) выполняется
при любых значениях D. Однако с
увеличением частоты собственных ко-
лебаний преобразователя существенно
уменьшается масштаб преобразования
(пропорционально 1/<о2), поэтому при-
менение в качестве акселерометров
очень высокочастотных колебательных
систем сопряжено со значительным сни-
жением их чувствительности. Наиболее
протяженный (по оси р/со) участок
постоянной чувствительности имеет
место при значениях £) = 0,6—0,7; в
этом случае амплитудные искажения
преобразователя ускорения не превы-
шают 2% вплоть до значений р/ш^0,5.
В отличие от амплитудно-частотной,
фазо-частотная характеристика под-
вижной системы акселерометра не име-
ет горизонтального участка. Если зна-
чение р/(о<С 1 (режим акселерометра);
Рис 4 10. Схема первичных
преобразователей
инерционного действия
колебания подвижной системы преоб-
разователя почти совпадают по фазе
с колебаниями объекта; при р/со> 1
(режим виброметра) они, как отмеча-
лось, в противофазе с направлением
внешнего воздействия.
В качестве первичных преобразова-
телей инерционного действия исполь-
зуются маятниковые системы и упругие
подвесы. Конструктивные схемы таких
колебательных систем с одной сте-
пенью свободы приведены на рис. 4.10.
Варьируя жесткость пружин и изменяя
массу т, можно в широких пределах
изменять частоту собственных колеба-
ний системы и режим работы преоб-
разователя. Демпфирование колебаний
обычно осуществляется за счет трения
элементов подвижной системы о вязкую
жидкость или электромагнитным спо-
собом.
Механическая система преобразова-
телей, реализующих кинематический
принцип измерения, представляет собой
упругие элементы в виде стержней,
балочек, рам, пластин. На рис. 4.11
приведены схемы упругих элементов ди-
намометров стержневого а и кольцево-
го б типов. Для восприятия распре-
деленных нагрузок (давлений) при-
меняют круглые пластины Ь, защемлен-
ные по контуру, или упруго-подкреп-
ленные мембраны г. При измерении
перемещений широко применяют упру-
гие элементы арочного (рис. 4.12, а)
и рамного б типа. Достоинством
преобразователей, основанных на кине-
матическом принципе, является их уни-
4 3 Измерения механических величин с помощью электрических преобразователей
61
Рис 4 11 Схемы упругих
элементов динамометров
Рис 4 12 Упругие элементы
для измерения перемещений
нереальность: возможность измерения и
динамических и статических величин.
Характеристики таких преобразовате-
лей обычно определяют в процессе
статической градуировки. Оценку
динамических погрешностей можно вы-
полнить следующим образом. Восполь-
зуемся уравнением (4.1). Пусть внеш-
нее воздействие изменяется по гар-
моническому закону P(/)=PoSinp/, а
uk(f} = 0. Тогда реакцию механической
системы преобразователя на внешнее
воздействие можно описать формулой
X(t) = qp2 sin
(Р/+(Р)а/(“2-р2)2+4рЧ2 ,
Влияние на реакцию преобразовате-
ля частоты изменения внешней силы
можно охарактеризовать отношением
Хамп/Хст, где Хамп = q/V(<02 —p2)2 + 4/72g2
— амплитуда колебаний в точке прило-
жения воздействия, а Хст — Р/к = д/(о2 —
перемещение упругой системы преобра-
зователя при статическом действии
силы Р, к — жесткость упругого эле-
мента. Задавшись уровнем динамичес-
кой погрешности, т. е. допустимым
отклонением значения Хамп/Хст от еди-
ницы, верхнюю границу частотного
диапазона преобразователя можно най-
ти из условия
ХамЛет= >/V(l -PW)2 + 4P V/о/ .
Как следует из этого выражения,
при уровне амплитудной погрешности
около 5% верхнюю границу частотного
диапазона можно принять равной
(0,15—0,2) (о.
Электрические промежуточные пре-
образователи служат для преобразова-
нйя выходного параметра X(t) первич-
ной механической системы в электри-
ческий сигнал. По принципу работы
электрические преобразователи под-
разделяют на две основные группы —
генераторные и параметрические.
Генераторные осуществляют прямое
преобразование механической энергии в
электрический сигнал. Вырабатываемая
ими ЭДС пропорциональна скорости
изменения преобразуемой механической
62
Глава 4 Методы и средства измерения в инженерном эксперименте
величины. К генераторным относятся
индукционные и пьезоэлектрические
преобразователи. Индукционный преоб-
разователь состоит из многовитковой
катушки, помещенной в магнитное поле.
При перемещении катушки относитель-
но магнитных силовых линий в обмотке
индуктируется ЭДС:
e = Bnl(dx/dt),
где В — индукция поля магнита; п — число вит-
ков; I — длина проводника, находящегося в
магнитном поле; dx/dt — скорость.
Индукционные преобразователи, ра-
ботающие в режиме виброметра, вы-
полняют с относительно мощным маг-
нитом и многовитковой катушкой
индуктивности; они отличаются высо-
кой чувствительностью.
Пьезоэлектрические преобразо-
ватели представляют собой небольшие
диски, вырезанные из специальных
материалов, обладающих пьезоэффек-
том: сегнетовой соли, титаната бария
и др. При изменении усилия, дей-
ствующего на такие пластины, проис-
ходит приращение электрического заря-
да на обкладках пьезоэлемента. Обычно
при использовании пьезопреобразова-
телей измеряется не величина заряда,
а развиваемое ими напряжение сигнала.
Верхний предел частотного диапазона
преобразователя зависит от резонанс-
ной частоты пьезоэлемента. Обычно
верхняя граница частотного диапазона
достигает десятков килогерц, поэтому
Рис. 4 13. Индуктивные Рис 4 14 Виды
преобразователи тензорезисторов
пьезоэлектрические преобразователи
чаще всего используются в акселеро-
метрах, динамометрах, где они одновре-
менно выполняют роль и упругого эле-
мента. Поскольку индукционные и пье-
зоэлектрические преобразователи реа-
гируют лишь на динамическую состав-
ляющую механического воздействия,
они используются только в виброиз-
мерительных устройствах.
Параметрические преобразователи
представляют собой устройства, в кото-
рых под действием измеряемых меха-
нических величин изменяются парамет-
ры электрической цепи: индуктивность,
емкость, сопротивление, частота и т. д.
Параметрические преобразователи —
индуктивные, емкостные, резисторные—
универсальны: в соответствующее из-
менение электрического параметра они
позволяют преобразовать как динами-
ческую, так и статическую состав-
ляющую выходной механической вели-
чины.
Индуктивные преобразователи вы-
полняют дроссельного, соленоидного и
трансформаторного типов. Дроссель-
ный преобразователь с изменяющимся
воздушным зазором схематично пока-
зан на рис. 4.13, а. Катушки 1 пи-
таются генератором переменного тока
3; при перемещении сердечника 2 (из-
менении зазора 6) меняется индуктив-
4 3 И змерения меланичгс ких величин < п »л цью электрических преобразователей
63
ность L контура, и, следовательно,
реактивное сопротивление катушки:
ЛА/Дд-и>2ц/7262,
где со — круговая частота переменного тока;
ц — магнитная проницаемость среды в зазоре;
F — площадь поперечного сечения участка воз-
душного зазора.
Зависимость индуктивности контура
L от зазора б можно принять ли-
нейной лишь при условии, если Л6<Сб,
поэтому диапазон измерения перемеще-
ний такими преобразователями неве-
лик, он составляет от 0,1 до 1 мм,
но порог чувствительности Д6 т|Пможет
достигать от 0,1 до 0,2 мкм. При
измерении больших перемещений (20—
30 мм) используются преобразователи
соленоидного типа (рис. 4.13, б);
изменение индуктивности таких преоб-
разователей вызывается перемещением
в катушке 1 ферромагнитного сер-
дечника 2. Трансформаторные индук-
тивные преобразователи (рис. 4.13, в)
отличаются от дроссельных наличием
вторичных обмоток 4, в которых ин-
дуктируется электродвижущая сила.
Величина индуктируемого напряжения
зависит от смещения замыкающей
пластины 2 трансформатора.
Недостатком индуктивных преобра-
зователей является их чувствитель-
ность ко многим влияющим факторам;
изменению напряжения и частоты
питающего генератора, изменению маг-
нитной проницаемости воздушного за-
зора, наводкам внешних магнитных
полей и др. Для компенсации влияющих
факторов и значительного нулевого сиг-
нала применяются дифференциальные
или мостовые схемы включения кату-
шек преобразователя. Как видно из
рис. 4.13, обмотки катушек включены
в смежные плечи (?i и гг) четырех-
полюсной мостовой цепи. При полной
симметрии плеч zi и гг такое вклю-
чение позволяет компенсировать влия-
ние многих внешних факторов.
Резисторные преобразователи оми-
ческого сопротивления применяются, в
основном, двух типов: реостатный и
тензорезисторный. Сопротивление рео-
статного преобразователя изменяется
пропорционально линейному или угло-
вому перемещению ползунка токосъем-
ника. Ползунок соединен с переме-
щающимся звеном первичного меха-
нического преобразователя.
Тензорезисторные преобразователи
являются в настоящее время наиболее
распространенным и самым универ-
сальным средством преобразования де-
формации твердого тела в электричес-
кий сигнал. Принцип действия тензоре-
зистора основан на свойстве проводни-
ковых и полупроводниковых материа-
лов изменять омическое сопротивление
при деформировании. Это свойство на-
зывается тензоэффектом. Чувствитель-
ный элемент проводникового тензоре-
зистора изготовляют из проволоки диа-
метром 10—25 мкм или тонкой фольги
толщиной 2—5 мкм.
На рис. 4.14 показаны чувствитель-
ные элементы тензорезисторов в виде
линейного проводника и плоской спи-
рали. Чувствительный элемент 1 имеет
выводные концы 2 и поикреплен к бу-
мажной или пленочной подложке,
которая приклеивается к поверхности
исследуемого объекта. Собственно слой
связующего (клей, цемент) и подложка
3 выполняют функции первичного ме-
ханического преобразователя, который
воспринимает деформацию объекта и
передает ее чувствительному элементу
тензорезистора. Чувствительность тако-
64
Глава 4 Методы и средства измерения в инженерном эксперименте
го преобразователя зависит от модуля
сдвига и толщины слоя материала
связующего, включая подложку, а так-
же от формы и жесткости чувстви-
тельного элемента. Выходным сигналом
тензорезистора является относительное
изменение его омического сопротивле-
ния &R/R. Основной характеристикой
тензорезистора служит зависимость вы-
ходного сдвига от деформации. От-
ношение изменения выходного сигнала
к вызвавшей его относительной де-
формации е — Д/т//г, направленной
вдоль оси тензоэлемента, называется
коэффициентом тензочузствительности
feT:
k. = (\R/R)/e.
Экспериментально полученные зна-
чения коэффициента тензочувствитель-
ности для различных металлов и
сплавов при упругом деформировании
находятся в пределах от —12 до -{-6,5,
а для полупроводников достигают 150—
200.
При выборе материала чувствитель-
ного элемента необходимо учитывать не
только его высокую чувствительность,
но и малый температурный коэффи-
циент сопротивления. Следует отметить,
что температурная погрешность, т. е.
изменение сопротивления тензорези-
стора, обусловленное изменением тем-
пературы окружающей среды, может
оказаться одного порядка с измеряе-
мой деформацией, поэтому обычно
проводниковые тензорезисторы изготов-
ляют из сплавов меди с никелем
(константан, эдванс и др.). Несмотря
на то, что чувствительность констан-
тановых тензорезисторов сравнительно
невелика (&т1,9—2,3), для них харак-
терна высокая стабильность электри-
ческих и механических свойств и очень
малый температурный коэффициент со-
противления, примерно 2Х 10-6 град-1.
Наиболее широко распространены про-
волочные и фольговые тензорезисторы.
Петлевые проволочные тензорезис-
торы (рис. 4.14,6) промышленного
производства выпускаются с номиналь-
ным сопротивлением 60—400 Ом и ба-
зой измерения /т = 5—100 мм. Интер-
вал рабочих температур зависит, в ос-
новном, от вида связующего. Так, при
температуре жидкого азота изменение
коэффициента тензочувствительности
относительно его значений в нормаль-
ных условиях не превышает 2—3%.
Верхняя граница температурного диа-
пазона обычных тензорезисторов, свя-
зующим которых служат клеи типа БФ
и ВП, достигают 450—490 К; для про-
ведения измерений при температуре
700—900 К чувствительный элемент
тензорезистора выполняют из нихромо-
вых сплавов, а связующим служат
кремнеорганические цементы ВН-12,
ВН-15.
Недостатком петлевых проволочных
тензорезисторов является их попереч-
ная чувствительность — изменение вы-
ходного сигнала, вызванное деформа-
цией петель в направлении, перпен-
дикулярном главной оси тензорезис-
тора.
Фольговые тензорезисторы (рис.
4.14, в) изготовляются фотолитограф-
ским способом из тонкой константано-
вой фольги, толщиной 2—5 мкм. Пред-
варительно нанесенная на фольгу клее-
вая пленка служит подложкой тензо-
резисторов. Прямоугольное сечение
фольговых чувствительных элементов,
развитых в плоскости приклейки, обес-
печивает эффективный отвод тепла, что
позволяет в 3—4 раза повысить, по
сравнению с проволочными, плотность
питающего тока и получить больший
выходной сигнал. К преимуществам
фольговых тензорезисторов относятся:
низкая поперечная чувствительность за
счет увеличения площади петель; высо-
кая технологичность изготовления и
возможность получения чувствитель-
ных элементов с очень малой базой
(до 0,3 мм) любой формы. Выбор оп-
тимальной формы и размеров чувстви-
тельного элемента тензорезисторов поз-
воляет существенно уменьшить мето-
дические погрешности при исследова-
нии распределения компонентов дефор-
маций вблизи концентраторов нап-
ряжений и в других случаях.
4 3 Измерения механических величин с помощью электрических преобразователей
65
Полупроводниковые тензорезисторы
изготовляют из монокристаллов крем-
ния или германия электронной или элек-
троэрозионной резкой, направление ко-
торой перпендикулярно главной крис-
таллографической плоскости. Таким
способом получают пластины толщиной
0,05—0,1 мм, шириной 0,5—1 мм, из
которых изготовляют тензорезисторы с
базой 2—15 мм (рис. 4.14, г). Моно-
кристаллические полупроводниковые
тензорезисторы могут использоваться
и без подложки, т. е. непосредственно
приклеиваться к исследуемой поверх-
ности.
Главным достоинством полупровод-
никовых тензорезисторов является их
высокая чувствительность, примерно в
60 раз превосходящая чувствительность
проводниковых. Возможность получе-
ния большого выходного сигнала (более
0,1 В) делает целесообразным приме-
нение полупроводниковых тензорезис-
торов в тех случаях, когда необходимо
использовать простую и компактную
измерительную аппаратуру. Однако по-
лупроводниковым тензорезисторам
свойственны существенные недостат-
ки: начальное сопротивление и чувстви-
тельность зависят от температуры; вы-
сокий температурный коэффициент
сопротивления (приблизительно в 60
раз больший, чем у константана); чув-
ствительность зависит от уровня дефор-
мации; ограниченный диапазон (при-
мерно ±0,2%) деформирования; низкий
предел усталости. Указанные недостат-
ки полупроводниковых тензорезисторов
требуют тщательной компенсации тем-
пературных зависимостей основных ха-
рактеристик и введения в измеритель-
ные цепи специальных элементов для
линеаризации градуировочной харак-
теристики. Поэтому полупроводниковые
тензорезисторы используют, главным
образом, в качестве чувствительного
элемента акселерометров и тензодина-
мометров.
Первичные измерительные устрой-
ства (датчики) выполняют в виде от-
дельных приборов, конструктивно объе-
диняющих два рассмотренных выше тц-
3 Зак 130
па преобразователей — первичный (ме-
ханический) и промежуточный (элек-
трический). Полученный на выходе
датчика электрический сигнал про-
порционален измеряемой величине.
По своему назначению их подразде-
ляют на датчики: перемещений (виб-
рометры и прогибомеры), ускорения
(акселерометры), сосредоточенного
усилия (динамометры) и распределен-
ного давления (мессдозы), деформации
(тензометры). Приведем краткие све-
дения об электромеханических датчи-
ках, которые применяются при испы-
тании строительных конструкций и их
моделей.
При проведении натурных ди-
намических испытаний и при изучении
вибросмещений, колебаний крупномас-
штабных моделей чаще всего применя-
ют датчики с механическим преобразо-
ванием инерционного действия. В этом
случае устройства, содержащие инер-
ционный маятник, устанавливают не-
посредственно в исследуемых сечениях
конструкции; несмотря на значительную
массу и габариты таких приборов, они
практически не вносят искажений в ра-
боту сооружения. Для преобразования
относительного перемещения маятника
в электрический сигнал чаще всего ис-
пользуются индукционные преобразо-
ватели.
Резонансная частота колебаний
маятника серийных виброметров с ин-
дукционным преобразователем состав-
ляет 0,2—1,5 Гц, а максимальная из-
меряемая амплитуда достигает 150 мм.
Виброметры с такими характеристика-
ми используются при изучении динами-
ческих параметров высотных сооруже-
ний, гибких висячих систем.
Высокочастотные акселерометры,
применяемые для исследования реакции
элементов конструкций и небольших
моделей на импульсные, ударные воз-
действия, изготовляют с использова-
нием пьезоэлектрических преобразова-
телей. Схематический разрез такого
пьезоакселерометра показан на рис.
4.15. Инерционная масса 2 с помощью
болта 1 поджата к пьезоэлементам 3.
66
Глава 4 Методы и средства измерения в инженерном эксперименте
Предварительное напряжение подби-
рается таким, чтобы пьезоэлементы ос-
тавались сжатыми в пределах всего
рабочего диапазона измеряемых уско-
рений. Собственная частота колебаний
такой преднапряженной жесткой систе-
мы достигает 60—80 кГц, а масса
составляет 30—40 г.
Для измерения статических переме-
щений или измерения вибросмещений
небольших моделей при наличии ста-
ционарного испытательного стенда уп-
ругие элементы измерительных уст-
ройств выполняют в виде П-образной
рамы, арки, консольной балочки и пр.
Такие измерительные устройства уста-
навливают на неподвижном основании
вблизи испытываемого объекта с по-
мощью специальной оснастки; при этом
упругому элементу задается начальный
прогиб, несколько превышающий мак-
симальное ожидаемое перемещение об-
ратного знака. В качестве примера на
рис. 4.16, а показана конструкция
электромеханического индикатора пере-
мещений с консольным упругим элемен-
том 1 и установленными вблизи задел-
ки тензорезисторами 2. Перемещение
исследуемого объекта передается кон-
сольному элементу с помощью упруго-
го штифта 3\ в зависимости от по-
ложения штифта диапазон измерения
составляет 2 или 10 мм. Тензоре-
зисторы /?1 и /?2, установленные на
упругом элементе, включают в мосто-
вую цепь, как показано на рис. 4.16, б.
Мост состоит из четырех резисторов
/?1, /?2, /?з, /?4 и источника тока нап-
ряжением V. При выполнении условия
/?1/?4 = /?2/?з (4.5)
мост уравновешен, т. е. ток в измери-
тельной диагонали 1—2 равен нулю.
При изменении сопротивления одного
из плеч, например, на величину , ус-
ловие равновесия нарушается и ток,
проходящий через сопротивление наг-
рузки /?н, вызывает падение напряже-
ния на этом участке цепи ДУ.
В общем случае напряжение разба-
ланса моста ДУ зависит от всех эле-
ментов электрической цепи. Однако на
практике сопротивления тензорезисто-
ров /?1 и /?2 обычно подбирают практи-
чески одинаковыми, а в плечи моста
и /?4 включают два идентичных высоко-
стабильных резистора /?, При такой
симметрии моста и относительно боль-
шом сопротивлении нагрузки —
/?н//?1>1, напряжение выходного сиг-
нала ДУ можно представить в виде
ДУ=(У/2)[(Д/?1//?1)/(2+Д/?1//?1)]. (4.6)
Если /?1 — проводниковый тензорезис-
тор с коэффициентом тензочувствитель-
ности кт, приближенно равном 2 (кт~2),
а диапазон измерения деформаций не
менее 1% и Д/?1//?1 <С2%, то выражение
(4.6) примет вид
ДУ«(У/4)(Д/?1//?1).
Согласно этому выражению, сигнал
разбаланса моста ДУ пропорционален
относительному изменению сопротивле-
ния тензорезистора /?ь В рассматрива-
емом прогибомере оба тензорезистора
/?1 и /?2 установлены на упругом эле-
менте и измеряют одинаковую деформа-
цию, но противоположного знака
(A/?i//?i« — Д/?г//?г). В этом случае,
согласно (4.5), сигнал разбаланса мос-
та равен удвоенному значению Д/?1//?ь
Кроме того, включение в смежные плечи
моста тензорезисторов Ri и /?2, установ-
ленных на один и тот же объект и на-
ходящихся в одинаковых условиях ко
4 3 Измерения механических величин с помощью электрических преобразователей 67
Рис 4 15 Акселерометр с
пьезоэлектрическим
преобразов а тел ем
Рис 4 16 Универсальные
измерители перемещений
всем внешним факторам, позволяет
автоматически компенсировать влияние
этих факторов. Например, изменение
окружающей температуры приведет
к одинаковому изменению сопротивле-
ния этих тензорезисторов. Но посколь-
ку они включены в смежные плечи
мостовой цепи, то условие баланса (4.5)
не нарушается. Таким образом, если
внешние факторы вызывают одинаковое
изменение сопротивления смежных плеч
моста, то мостовая схема автомати-
чески осуществляет компенсацию этих
факторов. Такой прием компенсации
погрешностей широко используется в
метрологии.
В двухконсольном электромехани-
ческом прогибомере с жесткими пере-
з*
даточными элементами (рис. 4.16,в) в
мостовую цепь включены все четыре
тензорезистора 2. В этом случае вы-
ходной сигнал W пропорционален учет-
веренному значению А/?//? любого из
установленных тензорезисторов. Кроме
того, выполняется и условие термоком-
пенсации тензорезисторов. Достоин-
ством механической системы рассмат-
риваемого прогибомера является то, что
линейность функции преобразования
перемещений в электрический сигнал
сохраняется при относительно больших
прогибах упругих консольных элемен-
тов 1, Располагая набором сменных
балочек разной жесткости, можно в ши-
роких пределах варьировать амплитуд-
ный и частотный диапазон такого виб-
рометра перемещения, а также подби-
рать требуемый коэффициент преобра-
зования.
Для проведения длительных измере-
ний очень малых перемещений разра-
ботаны электромеханические преобра-
зователи в виде жесткой пластины 1
с упругим шарниром (рис. 4.16, г).
В качестве промежуточных использо-
ваны резисторные преобразователи 2 и
4, представляющие собой натянутую
тензорезисторную проволоку, концы ко-
торой прикреплены к упорам — изоля-
торам 3. Механическая система выпол-
нена таким образом, что верхний 2 и
нижний 4 проволочные резисторы под-
вергаются, деформациям разного знака
и, следовательно, могут быть включены
в смежные плечи мостовой цепи. Важ-
ными достоинствами такого измерителя
перемещений являются возможность
увеличения масштаба преобразования и
68
Глава 4. Методы и средства измерения в инженерном эксперименте
стабильность его статической характе-
ристики во времени.
В качестве упругого элемента пер-
вичного преобразователя динамометра
часто используют сплошной или полый
стержень. При измерении сравнительно
небольших усилий или при исследова-
нии низкочастотного процесса нагруже-
ния в качестве упругого элемента может
служить относительно податливое коль-
цо или балочка.
При измерении динамических уси-
лий, вызванных импульсными воздей-
ствиями, следует учитывать волновой
характер распределения воздействия,
в связи с чем необходимо предъявлять
определенные требования не только к
частоте собственных колебаний упруго-
го элемента, но и его размерам,
жесткости крепления и др. Малые
габариты динамометра позволяют мак-
симально приблизить его к той зоне
конструкции, которая непосредственно
воспринимает импульсную нагрузку, и
регистрировать воздействие с мини-
мальным запаздыванием.
Несколько простейших схем дина-
мометров с тензорезисторными преоб-
разователями приведены на рис. 4.17.
Оптимальное размещение тензорезис-
торов на упругом элементе динамометра
предусматривает полную компенсацию
температурных погрешностей и увеличе-
ние чувствительности измерительной
цепи. С этой целью в смежные плечи
моста включают тензорезисторы
(/?i и /?2), измеряющие продольную
и поперечную деформацию стержнево-
го динамометра (рис. 4.17, а).
На рис. 4.17, б показан упругий
элемент динамометра, состоящий из
двух полых, концентрически скреплен-
ных цилиндров. При действии нагрузки
деформации стенок внутреннего и внеш-
него цилиндров одинаковы, но противо-
положного знака — соответственно
растяжение и сжатие. Поэтому при
включении тензорезисторов в измери-
тельную схему может быть достигнуто
четырехкратное увеличение чувстви-
тельности моста. Аналогичный прием
реализуется и на упругом элементе
кольцевого типа (рис. 4.17, в), где
деформации тензорезисторов и /?2
(/?з и /?4) также противоположного
знака.
Упругой системой, воспринимающей
нормально распределенную нагрузку,
обычно служит круглая пластина или
гофрированная мембрана (рис. 4.18).
В качестве промежуточных преобразо-
вателей используются индуктивные,
тензорезисторные, пьезоэлектрические.
Датчики давления с пьезокерамичес-
кими преобразователями используют
главным образом при изучении высо-
кочастотной пульсации или при весьма
крутом фронте нарастания воздей-
ствия.
Серийно выпускаются широко рас-
пространенные преобразователи давле-
ния индуктивного типа ДД-10 и
ДД-6. В датчике ДД-10 пластина,
воспринимающая давление, выточена
вместе с корпусом и служит якорем
индуктивной системы (образованной
рабочей и компенсационной катушка-
ми). Максимальное измеряемое давле-
ние составляет 1,5 и 3,0 МПа, а соб-
ственная частота упругого элемента
(пластины) более 10 кГц. Габариты
30X60 мм и масса прибора 0,185 кг не-
велики. В датчике ДД-6 давление вос-
принимается податливой пластиной пе-
ременного сечения, в центре которой
жестко прикреплен якорь. Индуктивная
система состоит из двух Ш-образных
сердечников, рабочей и компенсацион-
ной катушек. Изменение зазора между
якорем и сердечником вызывает разба-
ланс измерительной мостовой цепи. Для
измерения давлений в пределах 0,1 МПа
устанавливают податливую пластину с
резонансной частотой около 30—40 Гц;
при измерении давлений до 2,0 МПа
используют жесткие пластины, соб-
ственная частота которых свыше
1000 Гц.
Датчики давления с тензорезис-
торными преобразователями наиболее
универсальны; они используются при
изучении статических и динамических
давлений; отличаются широким ампли-
тудным и частотным диапазоном.
4.3 Измерения механических величин с помощью электрических преобразователей
69
Рис. 4.18. Измерители
давления с
тензорезис тор ними
преобразователями
Рис 4 17. Схема установки
тенз орез исторных
преобразователей на
упругие элементы
динамометров
На рис. 4.18, а показан датчик давле-
ния в виде защемленной по контуру
пластины 1, деформация которой изме-
ряется специальным фольговым тензо-
резистором мембранной формы 2.
Поскольку при действии распределен-
ной нагрузки на круглую пластину ра-
диальные деформации вблизи заделки и
максимальные окружные деформации в
срединной части пластины — проти-
воположного знака, то и тензонити та-
кого комбинированного тензорезистора
размещены и ориентированы соответ-
ствующим образом. При включении в
мостовую цепь в качестве активных
плеч моста используются все четыре
тензорезистора мембраны.
Для измерения давлений в грунто-
вых основаниях, для определения дав-
лений сыпучих сред на стенки сило-
сов широкое распространение получила
разработанная в ЦНИИСКе конструк-
ция мессдозы, обладающая высокой
жесткостью. На рис. 4.18, б показан схе-
матический поперечный разрез преобра-
зователя. Давление среды р восприни-
мает верхняя пластина 3 и через слой
жидкости 4 (толщиной 0,3 мм) передает
давление на чувствительный элемент
(пластину 2) с установленным на
нижней поверхности тензорезистором
мембранного типа 1. Отличительной
особенностью преобразователя такого
типа является наличие гидравлического
мультипликатора, который трансформи-
рует малые перемещения пластины, не-
посредственно воспринимающей давле-
ние среды, в достаточно большие де-
формации чувствительного элемента.
Гидравлический мультипликатор поз-
воляет увеличить жесткость измери-
тельного устройства (например, по
70
Глава 4 Методы и средства измерения в инженерном эксперименте
сравнению с конструкцией, приведенной
на рис. 4.18, а) более чем в 100 раз.
Тензорезисторный преобразователь
давления типа М-70 позволяет в за-
висимости от толщины чувствительного
элемента (пластины 1 на рис. 4.18, б)
измерять давление от 0,4 до 10 МПа при
эквивалентном модуле деформации
порядка 5—30 000 МПа.
По способу воспринятия деформации
исследуемого объекта электрические
тензометры подразделяют на электро-
механические и тензорезисторы. Элек-
тромеханическими тензометрами как и
рычажными тензометрами измеряют
относительное перемещение двух то-
Рис. 4 19 Электромехани-
ческие тензометры
чек тела в пределах фиксирован-
ной базы, поэтому от измерите-
лей перемещений электромеханические
тензометры отличаются лишь конструк-
цией элементов опирания, непосред-
ственно контактирующих с исследуе-
мым объектом. Одна из опорных призм
(условно неподвижная) является
частью корпуса тензометра, другая
(подвижная опора) — частью упругой
механической системы первичного пре-
образователя.
На рис. 4.19 показаны электро-
механические тензометры с индуктив-
ным и тензорезисторным преобра-
зователями.
а) 5)
4.4 Измерения механических величин с помощью электрических преобразователей
71
Относительное перемещение ножевых
опор 1 и 3 (изменение базы тензометра
А/) вызывает перемещение ферромаг-
нитного сердечника 2 индуктивного пре-
образователя (рис. 4.19, а) или при-
водит к изгибу консольной балочки 2
с установленными вблизи сечения за-
делки тензорезисторами (рис. 4.19, б).
Электромеханические тензометры
применяют для определения упругих
констант, для записи циклических диаг-
рамм деформирования конструкцион-
ных материалов; они могут быть ис-
пользованы также для выборочного
контроля показаний тензорезисторов
при проведении испытаний в натурных
условиях и особенно в случае постанов-
ки длительных измерений. По сравне-
нию с тензорезисторами электромеха-
нические тензометры менее чувстви-
тельны к колебаниям влажности воз-
духа и к дефектам исследуемого объек-
та; их установка обычно не требует
длительной подготовки и в меньшей сте-
пени зависит от искусства оператора.
Вместе с тем, присущие электроме-
ханическим тензометрам конструктив-
ные особенности ограничивают область
их применения. Так, габариты электро-
механических тензометров затрудняют
компоновку из них розеток для прове-
дения измерений в условиях многоосно-
го напряженного состояния, в зонах
концентрации напряжений. Значитель-
ная масса и сопротивление деформи-
рованию не позволяют использовать их
при испытании небольших моделей. При
циклическом нагружении жесткая меха-
ническая система тензометра приводит
к нарушению контакта ножевых опор
с поверхностью объекта; частотный
диапазон электромеханических тензо-
метров невелик.
Тензорезисторы принципиально от-
личаются от электромеханических тен-
зометров тем, что воспринимают дефор-
мацию объекта всей поверхностью свое-
го чувствительного элемента (тензоре-
шетки) и преобразуют ее в электри-
ческий сигнал. При этом электрический
сигнал пропорционален непосредствен-
но относительной деформации — сум-
марной деформации элементов тензоре-
шетки. Благодаря своей универсально-
сти, малым габаритам и массе, тензо-
резисторы стали самым распространен-
ным средством измерения деформаций.
Для измерений деформаций в зонах
с высокой концентрацией напряжений и
внутри изделий из твердеющих матери-
алов типа полимеров, гипса, бетона
применяются специализированные тен-
зорезисторы и электротензометры.
Для измерения деформаций в зонах
концентрации напряжений используют-
ся тензорезисторы, форма чувствитель-
ного элемента которых (рис. 4.20) вы-
полнена с учетом особенности распре-
деления деформаций — наличия боль-
шого градиента в направлении главных
осей. Как видно из рисунка, тензорешет-
ки представляют собой многоэлемент-
ные цепочки, состоящие из близко рас-
положенных и соединенных последова-
тельно миниатюрных фольговых тензо-
рГезисторов с базой 0,8—1,0 мм. В за-
висимости от ориентации тензонитей
цепочки тензорезисторов используют
для измерения продольного, либо попе-
речного (рис. 4.20, а) компонентов
деформаций. Цепочка тензорозеток
(рис. 4.20, б) обеспечивает измерение
во многих точках обоих компонентов
нормальных деформаций, а при их
совмещении с цепочкой тензорезисто-
ров, ориентированных под углом 45°,
образуется цепь трехкомпонентных
прямоугольных розеток тензорезисто-
ров. Плотное расположение тензо-
элементов в цепочке и беспрерыв-
ность следования их вдоль сечения
позволяют наиболее достоверно опре-
делять распределение деформаций и ве-
личину градиента. Кроме того, после-
довательное соединение тензорезисто-
ров в цепочке вдвое уменьшает коли-
чество выводных концов и существен-
но облегчает монтаж.
Для измерения деформаций внутри
твердеющих материалов применяются
электротензометры с повышенной
гидроизоляцией чувствительного эле-
мента, защищенные от механических
повреждений в процессе бетонирования
72
Глава 4 Методы и средства измерения в инженерном эксперименте
и при вибрировании. К их числу отно-
сятся струнные тензометры. Принцип
действия струнного тензометра (рис.
4.21) основан на том, что собственная
частота колебаний сос струны длиною
/ и плотностью металла р зависит от
действующего в ней напряжения о:
юс=(1/2/)7^7р.
В цилиндрическом корпусе 1 с анкер-
ными дисками 4 по торцам помещен
электромагнит 3, вблизи полюсов кото-
рого натянута стальная струна 2.
Струнный тензометр работает в двух
режимах: возбуждения колебаний и ре-
гистрации частоты колебаний. Сначала
к электромагниту подводится импульс
постоянного тока: струна притягивается
и отпускается, т. е. возбуждаются ее
свободные колебания. Затем электро-
магнит переключается на вход усили-
теля и работает как индукционный
преобразователь: колеблющаяся стру-
на индуцирует в катушках электричес-
кий ток. Особенность струнного преоб-
разователя заключается в том, что в от-
личие от других электрических преоб-
разователей выходной информацией яв-
ляется не амплитуда, а частота тока.
Эта особенность обеспечивает высокую
помехозащищенность сигнала и воз-
можность передачи его без искажения
на большие расстояния. Самой распро-
страненной областью применения
струнных тензометров являются дли-
тельные измерения деформаций внутри
массивных бетонных сооружений.
Тензометры с тензорезисторным
преобразователем, применяемые для из-
мерения деформаций внутри твердею-
щих материалов, представляют собой
цилиндрический эпоксидный стержень
диаметром 8—12 мм и длиной 60—
120 мм, внутри которого находится од-
нопетлевой проволочный тензорезистор.
Поскольку жесткость эпоксидного ци-
линдра в 10—20 раз меньше жесткости
такого же по размерам стержня, но
выполненного из материала конструк-
ции или модели, в зоне установки
тензорезистора возникает концентрация
напряжений. Для уменьшения искаже-
ния силового потока стремятся по воз-
можности уменьшить размер созда-
ваемой тензорезистором полости.
Для полной герметизации тензоре-
зистора, помещаемого внутрь бетона
или гипса, чувствительный элемент мон-
тируется на тонкой (0,1 мм) стальной
фольге. Связующим служит цемент,
обладающий высокой гидро- и термо-
стойкостью. Для обеспечения длитель-
ной гидроизоляции тензорезистора и
защиты его от механических поврежде-
ний к стальной фольговой основе прик-
репляется с помощью пайки тонкостен-
ный кожух в виде плоской коробочки
толщиной 2,5—3 мм. Токовыводные
провода пропускаются через впаянную
в кожух медную трубку диаметром 1,5—
2,5 мм. Для улучшения сцепления с
бетоном край фольговой подложки пер-
форируют. Такие тензорезисторы перед
бетонированием размещают внутри
опалубки и фиксируют с помощью рас-
тяжек. Они могут длительное время
пребывать в условиях 100%-ной влаж-
ности и допускают автоклавную обра-
ботку изделия; благодаря малому попе-
речному сечению защитного кожуха,
создаваемая тензорезистором полость
внутри бетона и вносимые им иска-
жения невелики.
4.4. Методы оценки
характеристик первичных
измерительных устройств
(датчиков)
Для определения основных харак-
теристик измерительных устройств
проводят их аттестационные испыта-
4.4. Методы оценки характеристик первичных измерительных устройств (датчиков) 73
ния. При проведении таких испытаний
используют градуировочные установки,
обеспечивающие воспроизведение
заданных действительных значений из-
меряемой величины. Для каждой из оп-
ределяемых характеристик разрабаты-
вают схему градуировки, которая вклю-
чает оценку коэффициентов влияния
различных факторов: температуры,
влажности, магнитных полей и др.
На основе полученных данных опреде-
ляется схема анализа погрешностей.
Г радуировка силоизмерительных
устройств обычно осуществляется с
использованием испытательной машины
или гидравлического пресса; для конт-
роля усилия последовательно с по-
веряемым преобразователем устанав-
ливают образцовый динамометр. Класс
точности (относительная погрешность
градуировки, отнесенная к максималь-
ному значению на шкале и выражен-
ная в процентах) образцовой меры дол-
жен не менее чем в 3 раза превышать
класс аттестуемого силоизмерителя.
Статическую градуировку датчиков
давления производят с помощью грузо-
поршневых устройств или гидравличес-
ких установок с образцовыми маномет-
рами. Универсальные измерители пере-
мещений и электромеханические тензо-
метры градуируют на механических или
оптико-механических компараторах с
ценой деления шкалы 1—5 мкм.
В процессе выполнения градуировки
преобразователи нагружают и разгру-
жают ступенями, составляющими 0,1 от
верхнего предела диапазона; полный
цикл повторяют не менее шести раз. По
полученным результатам вычисляют
средние значения сигналов преобразо-
вателя на каждой ступени и по этим
данным строят статическую градуиро-
вочную характеристику, а также опре-
деляют чувствительность^ относитель-
ную нелинейность, механический гисте-
резис.
Датчики нормальных напряжений,
предназначенные для установки внутри
дисперсных сред, сначала градуируют в
гидростатической камере по той же ме-
тодике, что и обычные датчики давле-
ния. По результатам гидростатических
испытаний определяют чувствитель-
ность, нелинейность характеристики и
механический гистерезис; устанавли-
вают основную погрешность и класс
точности. Однако в отличие от обычных
датчиков давления необходимо допол-
нительно определить влияние на стати-
ческую характеристику условий взаимо-
действия преобразователя со средой.
Для проведения таких испытаний при-
меняют различные вспомогательные
устройства (одометры), воспроизводя-
щие на границах пробы грунта или сы-
пучей среды со стандартными меха-
ническими свойствами заданные зна-
чения компонентов напряженного сос-
тояния.
При градуировке виброметров пере-
мещения и ускорения для возбуждения
заданных гармонических колебаний
применяют градуировочные и испыта-
тельные вибростенды. Наибольшее рас-
пространение получили эксцентриковые
и электродинамические вибростенды. В
эксцентриковых стендах возвратно-пос-
тупательное движение рабочей плат-
формы создается кривошипно-шатун-
ным механизмом, приводимым в дви-
жение электродвигателем с диапазоном
частот от 0,2—5 до 80—100 Гц. В элек-
тродинамических стендах используется
мощный магнитоэлектрический преоб-
разователь, питаемый от специального
блока управления и допускающий плав-
ную регулировку частоты и амплитуды
колебаний виброплатформы (см.
рис. 2.3).
Для воспроизведения гармоничес-
ких колебаний с частотой менее 1 Гц
и амплитудой до 500 мм применяются
астатические маятники с плоскими
вертикальными пружинами, физические
маятники большой длины и другие при-
способления.
При определении амплитудно-час-
тотной характеристики виброметр или'
акселерометр закрепляют на вибро-
платформе стенда соосно с направле-
нием генерируемых колебаний. К вибро-
преобразователю присоединяют соот-
ветствующие элементы измерительного
74 Глава 4. Методы и средства измерения в инженерном эксперименте
канала (усилитель, регистрирующий
прибор), после чего небольшими ступе-
нями изменяют частоту колебаний виб-
роплатформы. Контроль параметров
движения виброплатформы может
быть осуществлен несколькими способа-
ми. Обычно вибростенды оснащены
преобразователем индукционного типа
и электронно-лучевым осциллографом.
В качестве поверочного средства может
быть использован образцовый вибро-
преобразователь, установленный рядом
с калибруемым. При другом способе
контроля измеряется частота и размах
колебаний. Для определения частоты
на ленту с виброграммой, полученной
с помощью калибруемой аппаратуры,
параллельно записывается сигнал за-
данной частоты. Наиболее точным мето-
дом измерения амплитуды (или разма-
ха) колебаний виброплатформы явля-
ется оптический. Используют измери-
тельные микроскопы с окулярным мик-
рометром. Микроскоп фокусируют на
торцевую поверхность виброплатформы
и измеряют длину размытого изображе-
ния (двойную амплитуду) какой-либо
характерной точки (например, отпечат-
ка, оставленного алмазной пирамид-
кой). При высоких частотах 5—10 кГц
и очень малых амплитудах 1—2 мкм
применяют интерферометрический ме-
тод измерения перемещений.
В отличие от тензометров тензоре-
зисторы не могут быть установлены пов-
торно и, следовательно, не могут быть
индивидуально проградуированы. Поэ-
тому характеристики определяются для
некоторой выборки тензорезисторов,
составляющей 5—7% оцениваемой пар-
тии. Полученные результаты обрабаты-
ваются статистическими методами. Ус-
тановленные для испытанной выборки
средние значения характеристик
тензорезисторов и средние квадрати-
ческие отклонения от этих значений, а
также аппроксимированные функции
влияния температуры, влажности и дру-
гих факторов присваивают всей партии
тензорезисторов.
В качестве эталонного упругого эле-
мента, обеспечивающего деформирова-
Рис. 4.22. Схема устройства
для градуировки
тензорезисторов при
циклической нагрузке
ние тензорезисторов, рекомендуется
использовать балку равного сопротив-
ления или постоянного сечения, нагру-
женную в пределах рабочего участка
постоянным изгибающим моментом.
Деформацию рабочей зоны балки при-
нимают за действительную величину.
Тензорезисторы устанавливают вдоль
оси балки на растянутую или сжатую
поверхность; при нагружении балки
кривизну рабочей поверхности измеря-
ют кривизномером на базе L и вычисля-
ют деформацию волокна по формуле
ев = 4/(Л+ ДА)/(Л2 + 4f2 - 4f h\
где h — высота сечения балки; ДА — расстояние
от поверхности балки до середины чувстви-
тельного элемента тензорезистора; f — прогиб на
базе L.
На градуировочном устройстве оп-
ределяют статическую характеристику
преобразования, механический гистере-
зис, ползучесть, функцию влияния тем-
пературы на чувствительность тензоре-
зисторов.
Усталостная характеристика тензо-
резистора может быть определена с
использованием установки, схема кото-
рой показана на рис. 4.22. Перемещение
свободного конца консольной градуи-
ровочной балки 1 с тензорезистора-
ми 2 осуществляется качающейся кули-
сой 3; последняя приводится в движе-
ние кривошипным механизмом 4. Амп-
литуду колебаний балки и, следователь-
но, деформацию ее поверхности регу-
лируют изменением плеча кривошипно-
го механизма. При смещении по верти-
кали опоры 5 можно варьировать и
коэффициент асимметрии цикла. Число
циклов деформирования регистрируется
счетчиком.
4.5. Информационно-измерительные системы 75
При определении усталостной ха-
рактеристики циклическое деформиро-
вание производят при нескольких уров-
нях амплитуды и фиксируют число цик-
лов, при котором происходит отказ тен-
зорезисторов. Поскольку в процессе
циклического деформирования накап-
ливаются усталостные повреждения в
материале чувствительного элемента, а
также происходит расстройство адге-
зионных связей в связующем слое, то
постепенно начинает проявляться эф-
фект ухода нуля, т. е. изменение соп-
ротивления тензорезисторов при нуле-
вой или постоянной средней деформа-
ции. Признаком отказа тензорезистора
в этом случае является не обрыв
чувствительного элемента, а достиже-
ние заданного уровня относительного
смещения нуля, например, 0,005—
0,01%. При амплитуде деформации
0,5% долговечность тензорезисторов
достигает 106 циклов; с увеличением
амплитуды деформаций ресурс тензо-
резисторов существенно уменьшается.
4.5. Информационно-измери-
тельные системы
Вторичная аппаратура состоит
из блоков, которые осуществляют из-
мерение электрического сигнала, его
усиление, последующее преобразование
и регистрацию полученной информа-
ции. Некоторые измерительные системы
содержат также блоки первичной об-
работки поступающей информации.
Выбор вторичного аппаратурного комп-
лекса зависит от характера изменения
изучаемой величины во времени. По-
этому вторичную аппаратуру подраз-
деляют на два основных вида: системы
для измерения и регистрации стати-
ческих величин и системы для регистра-
ции и анализа динамических про-
цессов.
При изучении динамических про-
цессов в аппаратурном комплексе ис-
пользуются измерительные цепи прямо-
го преобразования и регистрирующие
приборы, обеспечивающие беспрерыв-
ную запись значений измеряемой вели-
чины. В аппаратуре для измерения
статических величин применяют изме-
рительные цепи уравновешивающего
преобразования, при этом регистри-
руется то значение исследуемой вели-
чины, которое она принимает в момент
измерения.
Измерительные цепи прямого пре-
образования характеризуются после-
довательным преобразованием инфор-
мации без использования обратной свя-
зи. При этом результирующая чувстви-
тельность всего канала определяется
произведением чувствительности всех
составляющих его преобразователей, а
результирующая погрешность также
определяется погрешностью всех эле-
ментов, включая усилитель.
Цепи прямого преобразования обе-
спечивают очень высокое быстродей-
ствие и находят широкое применение
в измерительных системах, предназна-
ченных для исследования динами-
ческих процессов.
В методе уравновешивающего из-
мерения (нулевом методе) используют-
ся две цепи преобразователей: цепь
прямого преобразования и цепь обрат-
ного преобразования (см. рис. 4.7),
которая вырабатывает сигнал 0У, одно-
родный с измеряемой величиной 0Х и
уравновешивающий ее. В этом случае
цепь прямого преобразования служит
лишь для обнаружения степени не-
равновесия, при этом не предъявляется
высоких требований к стабильности ко-
эффициента усиления, а погрешности
измерительной цепи определяются поч-
ти исключительно погрешностью обрат-
ного преобразования. При реализации
нулевого метода измерения аппаратура
обеспечивает более высокую точность и
информативность по сравнению с ис-
пользованием метода прямого преобра-
зования. Однако процесс уравновеши-
вающего преобразования, осуществляе-
мый с помощью следящих систем или
дискретного уравновешивания, требует
затраты времени, поэтому цепи уравно-
вешивающего преобразования приме-
няют в основном в приборах, предназ-
76 Глава 4. Методы и средства измерения в инженерном эксперименте
каченных для измерения квазистати-
ческих и статических величин.
Используемые во вторичной ап-
паратуре для измерения и регистрации
квазистатических и динамических про-
цессов цепи прямого преобразования
подразделяются на цепи согласования
сопротивления выхода электрического
преобразователя с входным сопротив-
лением регистрирующего прибора, де-
лители тока (напряжения) и неравно-
весные мосты. Первые используются
для согласования генераторных преоб-
разователей с входным сопротивлением
усилителей или регистрирующих прибо-
ров, вторые предназначены для вклю-
чения параметрических преобразова-
телей.
Достаточно высокий уровень вы-
ходного сигнала индукционных преоб-
разователей позволяет осуществлять
регистрацию измеряемого процесса без
предварительного усиления. При под-
ключении индукционных вибропреобра-
зователей к гальванометрам использу-
ют согласующую цепь, схема которой
показана на рис. 4.23, а. Н& приве-
денной схеме /?п и /?г — сопротивления
катушки преобразователя и рамки
гальванометра; резисторы г\ — г3 слу-
жат для коррекции частотной характе-
ристики и обеспечивают требуемое
уменьшение чувствительности измери-
тельной цепи.
Значения сопротивлений шунтов при
необходимости загрубления сигнала в
Р раз определяются по формулам:
г1 = (/?гр-/?п)/(Р+1); г2 = Р(/?п + /?г)/(Р2-1);
ГзН*П0-/?Г)/(0+1).
Набор таких резисторов и переключа-
телей для нескольких измерительных
каналов объединяют в аттенюаторные
блоки или шунтовые коробки.
Пьезоэлектрические преобразовате-
ли акселерометров и измерителей дав-
ления развивают на выходе сравни-
тельно небольшую мощность электри-
ческого сигнала. Для их подключения
используют специальные согласующие
усилители с большим входным сопро-
тивлением (рис. 4.23, б); рабочий
диапазон частот таких усилителей от
2 Гц до 50 кГц.
При использовании первичных при-
боров с индуктивными и резисторными
преобразователями их обычно включа-
ют в мостовую цепь. Сигнал разба-
ланса моста при измерении датчиком
очень малых перемещений (деформа-
ций) может составлять доли милли-
вольта, поэтому, прежде чем подать
сигнал на вход регистрирующего при-
бора, его усиливают. В зависимости
от того, питается ли мост постоянным
или переменным током, используют
усилители постоянного тока и усили-
тели на несущей частоте.
На рис. 4.24, а приведена блок-
схема тензометрического усилителя на
несущей частоте. Мостовая цепь пита-
ется от генератора переменного тока
частотой 3,5—7 кГц. Сигнал разбалан-
са моста представляет собой ампли-
тудную модуляцию питающего напря-
жения тока и после детектирования —
фазовым детектором ФД — поступает
на вход регистрирующего прибора,
например, гальванометра Г.
Достоинством усилителей на не-
сущей частоте является их стабиль-
ность и универсальность. Поскольку
мостовая цепь питается переменным
током, то такие усилители позволяют
подключать датчики с индуктивными и
резисторными преобразователями. Для
начальной балансировки мостовых це-
пей по активной составляющей служит
переменный резистор 7?б, а по реак-
тивной составляющей — конденсатор С
и переменный резистор /?ф. Контроль
состояния баланса осуществляется с
помощью стрелочного индикатора mA.
В процессе проведения измерений по-
лезный сигнал разбаланса моста в этом
случае вызван либо изменением реак-
тивного сопротивления индуктивного
преобразователя, либо изменением ак-
тивного сопротивления резисторного
преобразователя.
Для получения калибровочного сиг-
нала, позволяющего установить мас-
штаб записи измеряемой величины,
параллельно одному из плеч моста
4 5 Информационно-измерительные системы
77
Рис 4.24 Блок-схемы
измерительного канала
тензометрической установки
включают резистор /?к, при этом
возникает разбаланс моста, пропорцио-
нальный известному значению отно-
сительного изменения сопротивления
резистора R.
При испытании объекта кратковре-
менным импульсом или ударным воз-
действием бывает необходимо измерить
только динамическую составляющую
исследуемого процесса. В этом случае
используют потенциометрическую схему
включения резисторов (рис. 4.24, б),
состоящую из источника постоянного
тока V, двух резисторов и переходного
конденсатора С (пропускающего толь-
ко переменную составляющую падения
напряжения на резисторе). Если R\ —
активный (рабочий) тензорезистор, вос-
принимающий динамическую деформа-
цию объекта, то переменную составля-
ющую выходного сигнала ДУ можно
определить по формуле
Ay = (A^1//?1)V/?1/?2/(/?i +/?2)2.
Напряжение ДУ затем усиливается;
усиленный сигнал вызывает вертикаль-
ное отклонение электронного луча, а
для развертки процесса во времени на
пластины горизонтальной развертки
электроннолучевой трубки (ЭЛТ) пода-
ется сигнал от специального генератора
пилообразного напряжения (ГПН).
Регистрация динамических процес-
сов осуществляется самопишущими
приборами, светолучевыми, электронно-
лучевыми осциллографами и магнито-
графами. Выбор регистрирующей ап-
78
Глава 4 Методы и средства измерения в инженерном эксперименте
паратуры предопределяется характером
исследуемого процесса, его продол-
жительностью и требуемой формой
записи полученной информации.
Самопишущие приборы позволяют
получать на движущейся диаграммной
бумаге видимую запись процесса (чер-
нилами, электротермическим спосо-
бом и др.). Пишущий рычаг прикреп-
лен к рамке магнитоэлектрического
миллиамперметра; собственная частота
колебаний такой системы обычно 5—
20 Гц, поэтому область применения
самописцев ограничена регистрацией
низкочастотных процессов. У специаль-
ных быстродействующих самопишущих
приборов рабочий диапазон составляет
60—100 Гц и число каналов 5—8;
однако ширина ленты, отведенная для
записи сигнала каждого канала, всего
40—20 мм. Кроме того, эти само-
писцы обладают низкой чувствитель-
ностью: полное отклонение пера про-
исходит при токе 200—300 мА. Вместе
с тем малая стоимость бумажной ленты,
значительный ее запас в катушке
(50 м) и при необходимости весьма
малая скорость движения (до
0,02 мм/с) позволяет использовать са-
мописцы при регистрации достаточно
длительных процессов.
Светолучевые осциллографы явля-
ются наиболее распространенными ре-
гистрирующими приборами. Они позво-
ляют осуществить синхронную запись
на светочувствительной бумаге или
пленке до 14—20 изучаемых процессов.
Рис 4 25 Типовая схема
светолучевого осциллографа
К основным узлам осциллографа от-
носятся: блок гальванометров, опти-
ческая система и механизм протя-
гивания фотоленты с заданной ско-
ростью (рис. 4.25). Гальванометры Г
осуществляют преобразование реги-
стрируемого электрического сигнала в
отклонение светового пятна. Принцип
работы заключается в следующем: про-
волочная петля или легкая многовитко-
вая рамка 1 упруго подвешена в магнит-
ном поле; при прохождении по ней элек-
трического тока она поворачивается.
Вместе с рамкой поворачивается жестко
прикрепленное к ней зеркальце 12. Свет
от лампы 9 через конденсер 10 и щеле-
вую диафрагму 11 попадает на зеркаль-
це гальванометра, отражается от него
и с помощью цилиндрической линзы 7
фокусируется на движущуюся свето-
чувствительную ленту 6 или осцил-
лографическую фотобумагу шириной
100—300 мм. В некоторых современных
осциллографах применяется ультрафи-
олетовый источник света или специаль-
ная фотобумага с непосредственным
почернением, т. е. не требующая хи-
мической обработки. Одновременно сиг-
нал через зеркальный барабан 5
передается на матовое стекло 8.
Отметки времени наносятся на ленту
с помощью специальной оптикомеха-
нической системы, состоящей из источ-
ника света 5, вращающегося барабана
4.5 Информационно-измерительные системы
79
с узкой щелью 4 и зеркала 2. К ос-
циллографу обычно прилагается комп-
лект гальванометров (более семи ти-
пов) различной чувствительности, ча-
стоты собственных колебаний и демпфи-
рования. При выборе типа гальвано-
метра учитывается характер регистри-
руемого процесса. Рабочий диапазон
частот гальванометров составляет от
О до 6000 Гц.
Магнитографы позволяют записы-
вать электрический сигнал на движу-
щейся магнитной ленте и воспроиз-
водить его в аналоговой форме.
Рабочий диапазон регистрируемых ча-
стот магнитографов примерно такой же,
как и у светолучевых гальванометров,
однако запись на магнитной ленте имеет
ряд преимуществ. Прежде всего, это
воспроизведение сигнала в виде элект-
рического тока, который удобен для
автоматизированного анализа, для
дискретизации и преобразования в ко-
дированную форму; кроме того, воз-
можность перезаписи процесса и много-
кратного использования магнитной лен-
ты. Высокая плотность записи и значи-
тельный запас ленты в кассете (до
750 м) позволяет вести непрерывную
регистрацию процесса в течение 40—
50 ч. Динамический диапазон серий-
ных магнитографов достигает 42—
47 дБ, что существенно превышает
информативность светолучевой фото-
записи. По сравнению со светолучевыми
осциллографами магнитографам при-
сущи и определенные недостатки. Так,
по чувствительности входа они су-
щественно уступают магнитоэлектри-
ческим гальванометрам; магнитографы
не позволяют визуально воспринимать
регистрируемую информацию. Наибо-
лее рационально применять магнито-
графы для длительной регистрации
случайных процессов с последующей
обработкой информации с помощью
специализированных статистических
анализаторов.
Электронно-лучевые осциллографы
используют при регистрации кратко-
временных (импульсных) и высокоско-
ростных процессов: при изучении рас-
пространения волн напряжений в эле-
ментах конструкций, при высокоско-
ростном деформировании образцов ма-
териала, исследовании воздействия
ударных волн при взрыве и др.
Регистрируемый электрический сиг-
нал поступает на многокаскадный
усилитель осциллографа и затем на
вертикально отклоняющие пластины
электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Раз-
вертывание процесса во времени осу-
ществляется блоком горизонтальной
развертки; этот блок вырабатывает на-
пряжение пилообразной формы, кото-
рое подается на электроды горизон-
тального отклонения ЭЛТ. Графики
исследуемого процесса, высвеченные на
экране ЭЛТ, фотографируют фотоап-
паратом, который с помощью пристав-
ного тубуса прикреплен к осциллогра-
фу. При изучении импульсных про-
цессов фотографирование проводится в
«ждущем» режиме, т. е. затвор фото-
камеры открывается заранее, перед на-
гружением.
В осциллографах С8-9 и С8-2
установлены специальные запоминаю-
щие трубки, которые обеспечивают со-
хранность записанных электрических
сигналов в течение 24 ч (при выклю-
ченном состоянии прибора) и воспроиз-
ведение изображения в течение 1,5 мин.
Имеется устройство, позволяющее в лю-
бой момент стереть записанный сигнал
и записать новый. К недостаткам
электронных осциллографов следует
отнести: малое число каналов, огра-
ниченные размеры экрана и трудности
точной синхронизации начала процесса.
Определение стохастических харак-
теристик случайных процессов сопря-
жено с длительной регистрацией и об-
работкой значительных объемов инфор-
мации. При изучении стационарных
случайных процессов, обладающих
свойством эргодичности, наиболее ра-
ционально использование специальных
приборов — статистических анализато-
ров.
В зависимости от конструктивных
особенностей аппаратуры на вход ста-
80
Г лава 4. Методы и средства измерения в инженерно м эксперименте
тистического анализатора может быть
подан сигнал либо непосредственно
от датчика перемещений, усилий и т. д.,
установленного на испытываемом объ-
екте, либо от устройства, считывающего
сигналограмму с промежуточного но-
сителя информации (фото или магнит-
ной ленты). Оба метода обладают
определенными достоинствами. При
анализе реализаций непосредственно в
период их регистрации отпадает необ-
ходимость в промежуточной записи
процесса, что, как правило, дает воз-
можность существенно увеличить объем
воспринимаемой информации, увели-
чить длительность, регистрации. До-
стоинство методики и аппаратуры ста-
тистического анализа уже выполненных
записей процессов (осциллограмм, сиг-
налограмм) заключается в том, что
при этом не происходит потери ин-
формации. Промежуточную запись
можно многократно анализировать, ме-
няя программу обработки, задачи ана-
лиза. Для сокращения времени обра-
ботки может быть в десятки раз уве-
личена скорость движения фото- или
магнитной ленты.
Обработка записей реализаций ста-
ционарных случайных процессов про-
изводится с использованием методов
корреляционного и спектрального ана-
лиза. Оценки корреляционной и вза-
имной корреляционной функции опре-
деляют соответственно по формулам:
Я*(т)==(1/П\АС dt ; (4.7)
т
Гу(т) = (1/7-)^(/^(/+г^, (4.8)
о
где АО и А^+т) — центрированные значения
реализации стационарного случайного эргоди-
ческого процесса в соответствующие моменты
времени; Т — время регистрации.
Свойством эргодичности обладают
случайные процессы, статистические
характеристики которых, полученные
обработке множества реализаций
или одной реализации, но достаточной
продолжительности — совпадают. Схе-
ма получения оценок корреляционной
функции с использованием выражений
(4.7) и (4.8) показана на рис. 4.26, а.
Сигналы X(t) и f(/) поступают на
соответствующие входные устройства
(ВУ), представляющие собой усили-
тели или согласующие цепи; затем
после задержки одного из сигналов
на время т осуществляется перемно-
жение сигналов (в блоке СУ) X(t) на
1^(/+т) и усреднение результата (в
4.5. Информационно-измерительный системы 81
блоке УУ) в течение достаточно дли-
тельного интервала времени Т. При оп-
ределении автокорреляционной функ-
ции на вход обоих* каналов поступает
одинаковый сигнал Х(/) и после отно-
сительной задержки сигналы Х(/) и
Х(/+т) перемножаются.
Схема устройства регулируемой за-
держки (УРЗ) показана на рис. 4.26, б.
Замкнутая петля магнитной ленты пере-
мещается со скоростью и,.касаясь запи-
сывающей (ЗГ) и воспройзводящей
(ВГ) головок. Скорость движения лен-
ты и расстояние / между головками
регулируется в широких пределах,
что позволяет получать заданный вре-
менной сдвиг т = //и. Регистрирующими
устройствами (РУ) служат самопишу-
щие приборы, осциллографы, магни-
тографы. Описанная схема позволяет
при фиксированном времени задержки
т, определить лишь одну точку кор-
реляционной функции. Для получения
последующих точек корреляционной
функции необходимо каждый раз изме-
нять время задержки. Такие операции
осуществимы только при наличии запи-
си исследуемых реализаций и воз-
можности их многократного воспроиз-
ведения.
В случае, когда корреляционный
анализ проводится непосредственно в
процессе эксперимента, необходимо ис-
пользовать многоканальный коррело-
метр, блок-схема которого приведена на
рис. 4.26, в. Нулевой канал измеряет
дисперсию случайного процесса (т = 0),
а каждый последующий канал увели-
чивает время задержки на величину
то. Такое увеличение времени осу-
ществляется с помощью последователь-
ного ряда воспроизводящих головок
в магнитном блоке задержки.
Современные многоканальные циф-
ровые коррелометры представляют со-
бой специализированные вычислитель-
ные комплексы с аналогоцифровыми
преобразователями на входе и сложной
логической схемой. Они отличаются
большим количеством каналов и высо-
ким быстродействием. Регистрирующи-
ми устройствами коррелометра могут
служить двухкоординатный самописец,
цифропечатающая машинка, ленточный
перфоратор, а для высокочастотных
процессов — цифровой электронный ре-
гистратор.
При измерении параметров спектра
наибольшее распространение получил
метод фильтрации. На рис. 4.27 изобра-
жен график функции спектральной
плотности 5х((о). Сущность метода сос-
тоит в выделении узких участков
спектра исследуемого процесса с по-
мощью устройства с избирательной
амплитудно-частотной характеристи-
кой. Основным элементом анализатора
служит полосовой фильтр с узкой
полосой пропускания частот До. Если
воспользоваться набором фильтров,
полосы пропускания которых вплотную
прилегают друг к другу и перекры-
вают весь диапазон частот в спектре
исследуемого процесса, то по резуль-
татам измерения средней мощности сиг-
нала каждой выделенной полосы шири-
ной Л (О/ можно построить функцию
статистической оценки спектральной
плотности S^co).
Блок-схема анализатора спектра па-
раллельного действия приведена на
рис. 4.28. Сигнал X(Z) поступает через
входное устройство (ВУ) одновременно
на все п полосовых фильтров (ПФ),
настроенных на различные частоты
(01, (02,... (On, но имеющие одинаковую
полосу пропускания Д(о или одинаковые
относительные значения полос пропус-
кания Д(О//(о,. Напряжение «вырезан-
ных» участков спектра детектируется
квадратичными детекторами (КД) и
подается поочередно с помощью ком-
мутатора (Ki) на вход вертикального
отклонения (ВО) электронно-лучевой
трубки с длительным послесвечением.
Синхронно с коммутатором Ki работает
коммутатор К2, который подает на
пластины горизонтального отклонения
(ГО) электронно-лучевой трубки сту-
пенчатое напряжение (с делителя СД);
при этом уровень напряжения каждой
ступени соответствует определенному
полосовому фильтру. В результате на
экране (ЭЛТ) наблюдаются светящие-
82
Г лава 4 Методы и средства измерения в инженерном эксперименте
анализатора спектра
параллельного действия
ся линии, высоты которых пропорцио-
нальны ординатам функции спектраль-
ной плотности. Анализаторы параллель-
ного действия отличаются высоким
быстродействием и позволяют осуще-
ствлять анализ спектра непосредствен-
но в процессе проведения испытания.
В анализаторах спектра последо-
вательного действия используется один
узкополосный фильтр, резонансная ча-
стота которого может перестраиваться
в широком диапазоне частот. Фильтр
последовательно настраивается на раз-
личные частоты. При каждой новой
настройке он выделяет соответствую-
щий участок спектра. Последователь-
ный способ применим лишь при анализе
записи реализации процесса, которую
можно воспроизводить многократно.
При статистическом анализе орди-
нат исследуемого случайного процесса
используются определенные зависи-
Рис 4.29 Схема измерения
относительного времени
пребывания реализации
выше заданного уровня
Рис. 4.30. Функциональная
блок-схема одноканального
амплитудного
статистического анализатора
4.5. Информационно-измерительные системы 83
Рис. 4 31 Блок-схема
мостовых цепей с
уравновешиванием
мости между функцией распределения
вероятностей ординат стационарного
эргодического случайного процесса F(f)
и относительным временем пребывания
реализации Х(/) этого процесса выше
заданного уровня (рис. 4.29, а), а также
между плотностью распределения р(х) и
относительным временем пребывания
реализации внутри интервала Ах между
X и Х+ДХ (рис. 4.29, б).
Формулы оценок функции обеспе-
ченности Ff (х) = Р[Х(/)>* X] и плотности
распределения р*(х), устанавливающие
указанную связь,
Г*(Л)=(1/Т’)2 т. ; р‘(Х)=(1/ТДХ)2 .
i= 1 i= 1
где — соответствующий малый отрезок вре-
мени,
позволяют определить распределение
вероятностей в результате измерения
времени пребывания реализации выше
заданного уровня, отнесенного ко вре-
мени регистрации. Такие измерения ча-
ще всего проводятся анализаторами с
амплитудными дискриминаторами.
Принцип измерения иллюстрирует
рис. 4.29, а; функциональная блок-
схема анализатора,основанного на дан-
ном принципе, показана на рис. 4.30.
Дискриминатор или амплитудный се-
лектор (АС) формирует прямоугольные
импульсы, одинаковые по амплитуде;
при этом длительность этих импульсов
Tj соответствует времени превышения
анализируемым сигналом заданного
уровня X/. Для измерения длительности
сформированных таким способом им-
пульсов последние усиливаются (У)
и заполняются короткими импульсами
от специального высокочастотного гене-
ратора импульсов (ГИ). Плотность
заполнения счетными импульсами оце-
нивается временным селектором (ВС),
который управляет электромеханиче-
ским счетчиком (СИ). Если число
импульсов, зарегистрированное за опре-
деленное время Г, в канале, где
установлен пороговый уровень X/, сос-
тавляет S/, а общее число импульсов,
выработанное за тот же период гене-
ратором,— W, то соответствующее зна-
чение функции обеспеченности
F;(X.) = S./Af.
Во вторичной аппаратуре для изме-
рения и регистрации статических вели-
чин используются, как правило, изме-
рительные цепи уравновешивающего
преобразования. По сравнению с пря-
мым преобразованием нулевой метод
позволяет существенно повысить по-
казатели точности аппаратуры и расши-
рить на несколько порядков ее изме-
рительный диапазон. Измерительные
уравновешивающие преобразования
выполняются с помощью равновесных
мостовых цепей с использованием сле-
дящего или программного уравновеши-
вания.
Схемы мостовых цепей с ручным и
автоматическим следящим уравновеши-
ванием показаны на рис. 4.31. Мост
питается переменным током от спе-
циального генератора (ГП) или от сети;
сигнал разбаланса усиливается с по-
мощью усилителя низкой частоты
84 Глава 4 Методы и средства измерения в инженерном эксперименте
(УНЧ), проходит фазочувствительный
детектор (ФД) и поступает на стре-
лочный нуль-индикатор. В отличие от
неравновесного моста выходной сигнал
служит индикатором разбаланса
(рис. 4.31, а), либо используется для
автоматического уравновешивания
моста (рис. 4.31, б). Следящее уравно-
вешивание осуществляется с помощью
введенного в мостовую цепь перемен-
ного резистора — реохорда (РХ). В схе-
ме, приведенной на рис. 4.31, а, о раз-
балансе моста судят по отклонению
от нулевого положения стрелки нуль-
индикатора (НИ). Мост приводят в
состояние баланса перемещением движ-
ка реохорда. При этом разность от-
счетов Аг, взятых по шкале реохорда
при двух состояниях баланса моста,
пропорциональна относительному изме-
нению сопротивления одного из актив-
ных плеч моста А/?
\r = (bRA/R^ (R+r)/(2+SRA/RA).
Поскольку обычно (А/? у/? то
нелинейностью зависимости данного
выражения пренебрегают. Рассмотрен-
ная схема положена в основу серийно
выпускаемых измерителей статических
деформаций.
В приборах с автоматическим сле-
дящим уравновешиванием (рис. 4.31, б)
сигнал разбаланса моста усиливается
по напряжению и мощности и пода-
ется на исполнительный реверсивный
электродвигатель (РД), который кине-
матически связан с движком реохорда
и перемещает его в направлении ком-
пенсации сигнала разбаланса.
Автоматическое следящее уравнове-
В)
деформаций с программным
поразрядным
уравновешиванием мостовых
цепей
шивание позволяет сократить в 10 раз
по сравнению с ручной балансировкой
время получения отсчета и освобождает
оператора от утомительного процесса
балансировки моста. К прибору при-
даются ламельные автоматические ком-
мутаторы, позволяющие подключать к
мосту 99 активных и 9 компенса-
ционных тензорезисторов.
Блок-схема приборов с програм-
мным поразрядным уравновешиванием
показана на рис. 4.32. К одному из
плеч моста (рис. 4.32, а) с помощью
управляемых реле П1 — Пп подключа-
ются параллельно компенсирующие ре-
зисторы /?1 — Rn. Если при подклю-
чении очередного шунтирующего рези-
стора происходит перекомпенсация из-
мерительного моста, то с выходного
транзистора нуль-органа (НО) посту-
пает сигнал, отключающий этот рези-
стор. Таким образом, при включении
или отключении компенсирующих ре-
зисторов происходит уравновешивание
измерительного моста, причем компен-
сация ведется в двоично-десятичной
системе с весовыми значениями ступе-
ней в каждой декаде 4—2—2—1;
соотношения соответствующих ступеней
декад (при четырех декадах) —
1000 : 100 : 10 : 1. Одновременно с ком-
пенсирующими резисторами включает-
ся реле дешифратора, который пре-
образует двоичный код в десятичный;
неоновые индикаторные лампы позво-
ляют снять отсчет визуально. Приборы,
выполненные по описанной схеме, прин-
ципиально могут обладать очень высо-
ким быстродействием и позволяют
4.6 Обработка экспериментальных данных и определение значений исследуемых величин по результатам измерений
85
регистрировать результаты измерений
в кодовой форме с помощью карточных
и ленточных перфораторов.
Из серийных отечественных прибо-
ров с поразрядным уравновешиванием
вывод информации на печать, перфо-
ратор и стыковку с микро-ЭВМ
Электроника-60 обеспечивает цифровой
тензометрический мост типа СИИТ.
Структурная схема прибора типа
СИИТ показана на рис. 4.32, б.
Внешние полумосты тензорезисторов
через блок коммутации (БК) на 100
каналов последовательно подключают-
ся к блоку измерений (БИ), который
содержит в себе генератор прямо-
угольных импульсов, питающий мосто-
вую цепь, каскады усиления, фазовый
детектор, устройство дискретного урав-
новешивания, дешифратор и блок ин-
дикации в виде цифротронов. Номер
канала и результат измерения высве-
чиваются на цифровом табло, а также
печатаются на бумажной ленте элек-
тронной машинкой и перфорируются
в коде 8—4—2—1 унифицированным
ленточным перфоратором УЛП-1. Вре-
мя одного измерения — 0,05 с; измери-
тельный диапазон составляет ±2%
при цене одной единицы дискретности
— 2-10~6; класс точности прибора 0,1.
4.6. Обработка
экспериментальных данных
и определение значений
исследуемых величин
по результатам измерений
В некоторых случаях значения
исследуемых величин могут быть полу-
чены непосредственно по результатам
измерений. Например, при изучении
поверхности прогибов или форм коле-
баний конструкции обработка экспе-
риментальных данных сводится лишь к
построению соответствующих эпюр пе-
ремещений. Результаты таких измере-
ний позволяют установить момент и
форму потери устойчивости, определить
для исследуемой конструкции функцию
прогибов. Обработка и анализ вибро-
грамм позволяют получить форму и
частоту колебаний испытанной системы.
Однако часто конечной целью экспе-
римента является изучение напряжен-
ного состояния конструкции и опреде-
ление в расчетных сечениях внутренних
усилий. В этом случае искомые вели-
чины косвенно связаны с результатом
измерений с помощью определенных за-
висимостей, полученных аналитически
или экспериментально. Такие зависи-
мости устанавливают связь деформаций
и напряжений, связь напряжений с
внутренними усилиями в сечении и т. д.
Рассмотрим некоторые приемы об-
работки и преобразования эксперимен-
тальных данных. Методика обработки
виброграмм зависит от характера изу-
чаемых процессов. При проведении
динамических испытаний конструкций
обычно исследуют следующие колеба-
ния: затухающие, периодические (по
форме близкие к гармоническим неза-
тухающим, либо представляющие собой
сумму нескольких гармонических коле-
баний), колебания в виде случайных
процессов, а также процессы импульс-
ного характера.
Обработку виброграмм начинают с
определения масштаба записи. Времен-
ной масштаб устанавливают по меткам
времени, нанесенным на осциллограмму
в виде тонких поперечных линий,
или по записанным параллельно коле-
баниям известной частоты. Вертикаль-
ный масштаб виброграммы определяют
калибровкой измерительного тракта.
При необходимости вводят поправки,
учитывающие фактическую амплитуд-
но-частотную характеристику измери-
тельного канала. В процессе калибров-
ки на виброграмму записывают и
нулевую линию каждого канала, опре-
деляющую положение луча (пера)
регистрирующего прибора при отсут-
ствии сигнала на входе.
Анализ свободных колебаний кон-
струкции проводят обычно с целью
определения периода и декремента ко-
лебаний. Как показано на виброграмме
1 свободных колебаний (рис. 4.33),
86
Глава 4 Методы и средства измерения в инженерном эксперименте
для определения логарифмического де-
кремента 6 колебаний или коэффициен-
та поглощения энергии ф = 2б доста-
точно измерить на виброграмме ампли-
туды ап и ал+1, т. е. п и п-hl цикла
колебаний. Если затухание невелико,
то для уменьшения погрешности, вы-
званной неточным измерением ординат
виброграммы, вычисляют усредненное
значение логарифмического декремента
для пг циклов затухающих колебаний
6 = (1 / rn)ln(an/an+m).
При обработке записей периодических
колебаний, представляющих собой сум-
му нескольких гармонических колеба-
ний, обычно достаточно определить
максимальные значения суммарной ам-
плитуды изучаемого процесса, а также
частоты и амплитуды главных компо-
нентов колебаний. Если известны часто-
ты отдельных компонентов колебаний,
то можно установить источники вибра-
ций, а по амплитудам этих компо-
нентов судить об эффекте, вносимом
каждым источником колебаний.
Для определения указанных пара-
метров при обработке записей коле-
баний широко применяется метод оги-
бающих. Метод основан на свойствах
суммарных кривых, полученных при
сложении синусоид, и обеспечивает
достаточную для практических целей
точность.
На рис. 4.34 приведена запись про-
цесса /, представляющего сумму двух
синусоидальных колебаний, частота ко-
торых существенно различна. Огибаю-
щие 2, проведенные вблизи вершин
кривой, представляют в этом случае
низкочастотный компонент колебаний, а
ширина полосы 2а между верхней и
нижней огибающей равна двойной
амплитуде высокочастотного компонен-
та 1. Следует отметить, что во многих
случаях границы периода видны доста-
точно отчетливо, однако на записи
колебаний можно наблюдать и нере-
гулярные отклонения, появляющиеся от
периода к периоду. Поскольку обычно
эти отклонения малы, то при опре-
делении периода ими пренебрегают.
Рис 4 33 Виброграмма
затухающих колебаний
Рис. 4 35. Анали колебаний
с биением
Таким образом, после выделения оги-
бающих 3 частота и амплитуда каж-
дого компонента может быть опреде-
лена как для простого гармонического
колебания. Применение метода огиба-
ющих к анализу виброграмм биений
(рис. 4.35) позволяет использовать
следующие их свойства:
огибающие (верхняя и нижняя)
приблизительно синусоидальны, но про-
тивоположны по фазе;
частота изменения ширины полосы,
заключенной между огибающими (ча-
стота биений), равна разности частот
составляющих компонентов;
максимальная ширина полосы равна
сумме двойных амплитуд компонентов,
а минимальная ширина — разности тех
же амплитуд;
частота пульсаций (заполнения)
равна частоте компонента с большей
амплитудой.
На виброграмме биений, приведен-
ной на рис. 4.35, расстояние АА' соот-
4.6. Обработка экспериментальных данных и определение значений исследуемых величин по результатам измерений
87
Рис 4 36 Виброграммы
импульсных процессов
ветствует периоду; так как кривая
симметрична относительно сужения В,
то оба компонента — косинусоиды. В
пределах периода имеется 12 максиму-
мов (и минимумов). Согласно свойству
виброграмм биений, частота запол-
нения (внутри огибающих) на еди-
ницу больше, т. е. равна 13. Поль-
зуясь метками времени на осциллограм-
ме, можно определить частоты глав-
ных компонентов колебаний. Для на-
хождения амплитуды компонентов из-
меряют максимальную и минимальную
ширину полосы. Эти значения соот-
ветствуют сумме и разности двойных
амплитуд компонентов. При определе-
нии фаз компонентов следует учиты-
вать, что оба компонента находятся
в фазе в горбе биения и противо-
положны по фазе в сужении.
При анализе кривых колебаний,
состоящих из трех и более компо-
нентов, графические методы не эф
фективны. Для разложения таки>
виброграмм на составляющие и опре-
деления их параметров (периодов,
амплитуд, фазовых углов) применяется
гармонический анализ с использова-
нием численного метода или специали-
зированных приборов — гармонических
анализаторов.
При обработке виброграмм им-
пульсных процессов обычно ограничи-
ваются определением лишь нескольких
основных параметров. На рис. 4.36
приведены кривые импульсных функ-
6)
циональных зависимостей: простой фор-
мы (рис. 4.36, а), с наложенными
колебаниями (рис. 4.36, б) и перио-
дического процесса импульсного харак-
тера (рис. 4.36, в). К основным
параметрам этих кривых относятся:
некоторый уровень X(ti) рассматрива-
емой величины, время достижения
данного уровня т/, интегральные и диф-
ференциальные характеристики. Важ-
ным параметром является пиково.е
значение X п исследуемой величины,
определяемое как наибольшее значе-
ние несглаженной зависимости. Вре-
менная координата пикового значения
характеризует длительность фронта Тф.
Для зависимостей X(t) с четко выра-
женным окончанием процесса (/ = т)
определяется интегральный параметр—
импульс
т
Ix=^X(t)dt
о
и средняя мощность импульса
х0=д/ 1/rJ Х2(<) dt .
о
Отношение X Д к среднему Хт/2
служит характеристикой формы им-
пульса
т/2*ф=Хд/Хт/2,
где Хт/2=(1/т)$ X(t)dt.
Определение направления и величины
компонентов главных деформаций мо-
88
Г лава 4 Методы и средства измерения в инженерном эксперименте
а)
жет быть выполнено тензорезисторным
методом. Тензорезисторы в этом слу-
чае компонуют в виде розетки. Послед-
няя . состоит из нескольких тензоре-
зисторов, смонтированных компактно
вблизи исследуемой точки конструкции.
На рис. 4.37 показаны розетки
тензорезисторов, используемые при изу-
чении плоско-напряженного состояния
(а — прямоугольная; б — дельта-ро-
зетка; в — 4-компонентная). Посколь-
ку тензорезистор, ориентированный под
углом (pi к оси у (где х, у — произ-
вольно выбранные ортогональные оси),
регистрирует суммарную деформацию
=excos2(pi 4-eFsin2<pi -j-Yx^coscpi sirnpi, (4.9)
то для определения нормальных компо-
нентов 8Х, гу и деформации сдвига
уху достаточно в рассматриваемой точке
произвести три таких измерения под
некоторыми углами ф>, ф2, фз и решить
систему из трех уравнений типа (4.9).
Угол ф между осью у и направлением
одной из главных осей деформаций
может быть вычислен по известной
формуле
tg2(p=yX!//(ex — еу).
Для определения компонентов глав-
ных деформаций полученное значение
угла ф (и, соответственно, ф+л/2)
подставляют в уравнение (4.9).
Широкое распространение получили
розетки двух типов: прямоугольная
(рис. 4.37, а) и дельта-розетка
(рис. 4.37, б). В прямоугольной ро-
зетке ф1 = 0°; ф2 = 45° и ф3 = 90°. По
измеренным компонентам 8о, 645 и
890 главные деформации вычисляют по
формуле
Рис 4.37 Розетки
те зо рези старо в
Рис. 4.38 Диаграмма
деформирования
материала
& max
min
______ (so4~E9o)/2_________
! л/(£0~£45) +(£45~£90)~
Угол между направлением максималь-
ной главной деформации и осью тен-
зорезистора Те0 находят из выражения
4 6 Обработка экспериментальных данных и определение значений исследуемых величин по результатам измерений
89
— ф = 0,5аг ctg{[2845 — (е0 + еэо) ]/(е0 — ego)) •
В дельта-розетке углы между осями
тензорезисторов соответственно равны
0°, 60° и 120°. Главные деформации
и положение главных осей определяют
по формулам:
е тах= Ке° + 860 + 812о)/3] ± (л/2/3) X
min
X [~V(80 —86о) +(86О~812о) ~^(8120 —8о) ] ’
ф = 0,5а ret g{h/3(ei 2о — е6о)]/(2ео — 86 о — ei 20) }•
Обработку показаний тензорозеток осу-
ществляют с помощью мини-ЭВМ.
На рис. 4.37, в показана четырех-
компонентная Т-дельта-розетка. Допол-
нительный тензорезистор может быть
использован как резервный; кроме того,
из показаний четырех тензорезисторов
можно составить четыре сочетания по
три, а полученные четыре значения
главных деформаций и угла наклона
главных осей — обработать статисти-
чески. Дисперсия полученных значений
позволяет судить о достоверности по-
казаний данной розетки.
Если положение главных осей из-
вестно (например, в сечениях, прохо-
дящих через плоскость симметрии,
и других случаях) — для определения
значений главных деформаций доста-
точно установить лишь два тензоре-
зистора (или тензометра), ориентируя
их в направлении этих осей, а при
наличии в исследуемом сечении суще-
ственного градиента деформаций —
использовать цепочку двухкомпонент-
ных тензорозеток (см. рис. 4.20).
При изучении объемного напряжен-
ного состояния розетки, помещенные
внутри материала, компонуют из 6
тензорезисторов или тензометров.
Следует иметь в виду, что все
приведенные выражения справедливы
для деформированного состояния в точ-
ке или в некотором весьма малом
объеме материала. Это обстоятельство
необходимо учитывать при постановке
розеток в тех зонах конструкции, где
имеют место значительные градиенты
деформаций. Поэтому при конструиро-
вании розеток, если это /позволяет
структура исследуемого материала, тен-
зорезисторы стремятся расположить
как можно компактнее и использовать
по возможности малобазные тензорези-
сторы. С учетом отмеченных особен-
ностей описанным методом определения
направления и величины главных
деформаций пользуются не только в
упругой, но и в упругопластической
области деформирования, при стати-
ческом и динамическом нагружении
изотропных и анизотропных матери-
алов.
Определение напряжений по изме-
ренным деформациям имеет существен-
ное значение, поскольку эксперимен-
тальное выявление внутренних усилий
в расчетных сечениях основано на ана-
лизе напряженного состояния этих
сечений.
Ограничимся рассмотрением моде-
лей линейно деформируемых и упруго-
пластических сред, которые наиболее
часто используются в расчетах стро-
ительных конструкций.
В упругой области работы мате-
риалов будем считать, что состав-
ляющие деформаций являются линей-
ными функциями составляющих напря-
жений, а упругие характеристики оди-
наковы во всех точках тела и во всех
направлениях, проведенных через дан-
ную точку. Для такого условно одно-
родного и изотропного тела в плоской
задаче зависимость между главными
напряжениями и деформациями имеет
наиболее простой вид:
О’! =[£/(1 — ц2)][81 + р,е2);
О2 =[£/(1 — Ц2)Ке2 + Ц81),
где £ — модуль упругости: ц — коэффициент
Пуассона.
90
Г лава 4 Методы и средства измерения в инженерном эксперименте
Определение компонентов напряже-
ний в нелинейной области работы ма-
териала основано на следующей гипо-
тезе: при сложном напряженном состоя-
нии в каждой точке тела зависимость
между касательными напряжениями
т0КТ и сдвигом уокт в октаэдрической
плоскости остается такой же, как и при
одноосном деформировании материала
данного тела:
Токт == G Уокт (4.10)
Токт = (1/3) У(а1-а2)2 + (а2-аз)2 + (аЗ-а-|)2 -
7окт=(2/ЗТ\1 (еi - е2 )2 + (81 - е3 )2 +(ез — е 1 )2,
где G' — секущий модуль сдвига в нелинейной
области деформирования (рис. 4.38, а).
Эта же гипотеза используется и при
пластическом деформировании тела, но
только в условиях простого нагружения,
при котором все компоненты напря-
жений возрастают пропорционально
некоторому параметру.
Помимо рассмотренной гипотезы в
деформационной теории пластичности
вводится также допущение об изотроп-
ности среды за пределами упругости и,
следовательно, пропорциональности де-
виаторов напряжений и деформаций:
DH=2G'Da.
Кроме того, принимают, что среднее
напряжение о ср= (1/3) (01 + 02 + ^3)
пропорционально средней деформации
8ср= (1/3) (81 + 82 + ез), причем модуль
объемной деформации k остается по-
стоянной величиной как в упругой,
так и в упругопластической области: .
<тср==^е ср*
где /г=(Е/ЗХ1-2ц).
Пользуясь понятием интенсивности
напряжений ot и интенсивности де-
формаций 8/ выражение (4.10) обычно
записывают в виде:
di—SG'zi,
где щ=(ЗЛ/2)тОК1; et=y0K1/V2.
Поскольку при одноосном дефор-
мировании образца oz = oi и ez = 28iX
(1 + ц) /3, зависимость о, — st легко мо-
жет быть получена из опыта на про-
стое растяжение; при необходимости ее
легко перестроить в функцию (4.10);
для этого достаточно лишь изменить
масштаб координат (рис. 4.38, б).
В соответствии с принятыми до-
пущениями, уравнения связи между
компонентами напряжений и деформа-
ций нелинейно-упругого и упругопла-
стического тела при простом нагруже-
нии принимают вид:
a/ — (jCp=2(Ji(8/ — ecp)/3ei, где / = 1,2,3. (4.11)
Если материал исследуемого эле-
мента находится в пластическом состоя-
нии и преобладающими являются де-
формации сдвига, не приводящие к
заметному изменению объема, то при-
няв условие несжимаемости scp=0
уравнение (4.11) можно упростить
Oj — О ср= 2(JiEj/3Et.
При плоском напряженном состоя-
нии условие 8 ср= 0 позволяет получить
простые выражения для вычисления
компонентов напряжений
ст 1 =4(jt(ei +0,58г)/Зе/;
И 2 = 4(Jt(82 + 0,581 )/38j.
Глава 5
НЕРАЗРУШАЮЩИЕ МЕТОДЫ
ИСПЫТАНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ конструкций
5.1. Определение физико-
механических характеристик
материалов
Существенное повышение ка-
чества строительных материалов, из-
делий и конструкций, а следова-
тельно, повышение надежности и дол-
говечности зданий и сооружений, может
быть успешно решено при условии со-
вершенствования производства и ме-
тодов контроля качества на всех этапах
строительного производства. Главными
критериями высокого качества стро-
ительных объектов являются физи-
ческие, геометрические и функциональ-
ные показатели. К ним относятся фи-
зико-механические свойства и струк-
тура материалов, геометрические раз-
меры конструкций и их элементов,
точность сборки и монтажа строи-
тельных конструкций.
Контроль качества строительных ма-
териалов, изделий и конструкций в це-
лом может производиться двумя основ-
ными способами. Первый из них связан
с выявлением предельных несущих
способностей изучаемых объектов, что
связано с доведением их до разру-
шения. Такой способ достаточно эф-
фективен при проведении стандартных
испытаний образцов из стали, бетона и
других конструкционных материалов,
при испытании моделей сооружений и
их фрагментов конструкции могут до-
водиться до предельных состояний.
Что же касается реальных объектов,
то разрушение их с целью выявления
предельных несущих способностей эко-
номически не оправдано.
Большое внимание уделяется раз-
витию неразрушающих методов испы-
тания конструкций и их элементов,
однако актуальным становится тот путь,
который позволяет сохранить эксплуа-
тационную пригодность рассматривае-
мого объекта без нарушения несу-
щей способности и выявить действи-
тельное его состояние. Неразрушающи-
ми методами можно определить влаж-
ность заполнителей бетона, степень
уплотнения бетонной смеси в процессе
формования, плотность и прочность
бетонов в изделиях, а также про-
водить дефектоскопию конструкций.
Неразрушающие методы испытаний
построены, в основном, на косвен-
ном определении свойств и характе-
ристик объектов испытания. В связи
с этим можно классифицировать не-
разрушающие методы по видам испы-
таний:
метод проникающих сред основан
на регистрации индикаторных жид-
костей или газов, проникающих в объ-
ект;
механические испытания связаны с
анализом местных разрушений, пере-
мещений при внедрении нагрузочного
органа в тело испытуемого материала,
изучением поведения объектов, в резо-
нансном состоянии;
оптические методы испытания моде-
лей и конструкций в проходящем излу-
чении и в излучении отраженном (см.
гл. 11.2);
акустические методы испытаний свя-
заны с определением параметров упру-
гих колебаний с помощью ультразву-
ковой нагрузки и регистрацией эф-
фектов акустоэмиссии;
магнитные методы (индукционный и
магнитопорошковый);
радиационные испытания связаны с
использованием нейтронов, радиоизо-
топов и тормозного излучения;
тепловые методы основываются на
92
Глава 5 Неразрушающие методы испытания строительных конструкций
изучении тепловых полей и теплового
контраста объекта;
радиоволновые методы построены
на эффекте распространения высоко-
частотных и сверхвысокочастотных ко-
лебаний в изучаемых объектах;
электрические методы основаны на
оценке электроемкости, электроиндук-
тивности и электросопротивлении
изучаемого объекта.
Оценивая возможности разрушаю-
щих и неразрушающих методов испыта-
ния сооружений, следует учитывать,
что разрушающие методы могут быть
использованы лишь при проведении
модельных испытаний и при изучении
опытных образцов новых конструкций,
а также при выборочном контроле
изделий на заводах, изготовляющих
строительные конструкции. При поста-
новке экспериментов, когда конструк-
ция доводится до разрушения, необ-
ходимо четко оценивать их экономи-
ческую эффективность. На стадии про-
ектирования выявляется экономическая
эффективность предложенного реше-
ния, оценивается экономический эффект
от внедрения новых конструкций в прак-
тику. Далее разрабатывается план про-
ведения экспериментальных исследова-
ний, устанавливаются их объем и стои-
мость, производится технико-экономи-
ческая оценка эффективности экспе-
римента. Затраты, связанные с прове-
дением эксперимента, должны быть су-
щественно ниже того суммарного эф-
фекта, который обусловлен внедрением
более современных конструкций.
Неразрушающие методы испытания
не нарушают эксплуатационных свойств
исследуемых систем. Эти методы позво-
ляют выявить действительное состояние
конструкций, установить соответствие
реальных свойств проектным, прогнози-
ровать эксплуатационный ресурс.
5.2. Метод проникающих сред
Этот метод можно разделить
на два: метод течеискания и капил-
лярный метод. Первый из них исполь-
зуется для контроля герметичность
резервуаров, газгольдеров, трубопро-
водов и других подобных сооружений.
При испытании водой проверяемые
емкости заполняются до отметки, пре-
вышающей эксплуатационный уровень.
В закрытых сосудах давление жид-
кости повышается путем дополнитель-
ного нагнетания воды или воздуха.
Отдельные швы металлоконструкций
могут проверяться сильной струей воды
из брандспойта, направленной нор-
мально к поверхности шва под дав-
лением около 1 ат. При наличии де-
фектов вода просачивается сквозь
неплотности проверяемого соединения.
Эффективным для выявление тре-
щин является применение керосина.
Благодаря малой вязкости и незна-
чительному поверхностному натяжению
по сравнению с водой керосин легко
проникает через поры и трещины и
выступает на противоположной стороне
изделия. Поверхность шва с одной
стороны обильно смачивается или оп-
рыскивается керосином, а противопо-
ложная — предварительно подбелива-
ется водным раствором мела и высу-
шивается. При наличии трещин на
подсохшем светлом фоне отчетливо
выявляются ржавые пятна и полосы
при просачивании керосина.
Простейший способ, основанный на
использовании сжатого воздуха, заклю-
чается в обдувании швов с одной
стороны сжатым воздухом под дав-
лением 4 ат по направлению, пер-
5.2 Метод проникающих сред
93
Рис 5 1 Схема вакуумной Рис. 5 2 Схема контроля
установки капиллярным методом с
применением проявителя
пендикулярному поверхности. Противо-
положная поверхность предварительно
обмазывается мыльной водой. Обра-
зование мыльных пузырей указывает
на наличие сквозных трещин.
Эффективным является использова-
ние ультразвуковых течеискателей для
фиксации ультразвуковых колебаний,
которые возникают при истечении воз-
духа из трещин. С помощью течеиска-
телей можно выявить неплотности раз-
мерами до 0,1 мм при избыточном
давлении 0,4 ат и установить место
нахождения дефекта с точностью до
2 см. При проверке особо ответ-
ственных конструкций используют вме-
сто воздуха химические реагенты (воз-
душно-аммиачная смесь и др.), обла-
дающие высокой проникающей спо-
собностью.
Наличие трещин может быть также
определено путем создания вакуума
(рис. 5.1). Обследуемая конструкция
3 обмазывается мыльной водой и к ней
подставляется коробка 4 без дна с
прозрачной поверхностью 5. Резиновые
уплотнители 1 препятствуют доступу
воздуха извне. Коробка подключается
к вакуум-насосу 6. Появление мыль-
ных пузырей 2 свидетельствует о
наличии трещин. Отмеченный способ
удобен тем, что используется при до-
ступе к конструкции лишь с одной
стороны.
Для выявления трещин, не видимых
невооруженным глазом, исполь-
зуется капиллярный метод. Этим ме-
тодом выявляют дефекты путем об-
разования индикаторных рисунков с вы-
соким оптическим (яркостным и цвето-
вым) контрастом и с шириной линий,
превышающей ширину раскрытия де-
фектов.
При контроле (рис. 5.2, а) на
деталь 3 наносят специальную жид-
кость 1 (индикаторный пенетрант),
которая под действием капиллярных
сил заполняет полости 2 поверхностных
дефектов. Дефекты выявляют, обна-
руживая либо жидкость, оставшуюся
в их полостях после удаления ее с
поверхности, либо скопление частиц
порошка, взвешенных в жидкости и
отфильтровавшихся на поверхности при
заполнении полости дефекта жидкостью
(рис. 5.2, б). В первом случае
оставшуюся в полостях дефектов жид-
кость (рис. 5.2, в) обнаруживают после
нанесения проявителя 4, который погло-
щает жидкость, образуя индикаторный
рисунок 5, а также создает фон,
улучшающий видимость рисунка.
Индикаторные рисунки, образую-
щиеся при контроле, либо обладают
способностью люминесцировать в
ультрафиолетовых лучах, либо имеют
окраску, вызываемую избирательным
поглощением (отражением) части пада-
ющих на них световых лучей. Линии
индикаторного рисунка имеют ширину
0,05—0,3 мм и яркостный контраст
30—60% и более, а также высокий
цветовой контраст.
При яркостной капиллярной дефек-
тоскопии в качестве индикаторного
пенетранта используется керосин, не-
вязкое масло или их смеси. В ка-
честве проявителя — мел, применяемый
в виде сухого порошка, водной суспен-
зии с добавками поверхностно-актив-
ных веществ или суспензии на основе
органических растворителей. Индика-
94 Г лава 5 Н е разрушающие методы испытания строительных конструкций
торный пенетрант просачивается в слой
мела и вызывает его потемнение, об-
наруживаемое при дневном свете. Этот
способ имеет малую чувствительность,
но он широко используется для
поиска сквозных трещин.
При цветной дефектоскопии приме-
няют индикаторные пенетранты или
реактивы, которые после нанесения про-
явителя образуют индикаторный ри-
сунок, хорошо видимый на белом фоне
проявителя. При люминесцентной де-
фектоскопии используют проникающий
пенетрант, способный люминесцировать
под воздействием ультрафиолетовых
лучей. Индикаторный рисунок рас-
сматривается на темном фоне, наиболь-
ший яркостный и цветовой контраст
обеспечивается при белом, красном или
оранжевом цветах люминесценции. При
люминесцентно-цветовой дефектоско-
пии индикаторные рисунки не только
люминесцируют в ультрафиолетовых
лучах, но имеют окраску, вызываемую
избирательным поглощением части све-
товых лучёй. При использовании филь-
трующих «Частиц индикаторный пеце-
трант содержит окрашенные или лю-
минесцирующие взвешенные частицы,
которые оседают при поглощении пене-
транта пористым материалом. В зоне
расположения дефекта жидкость погло-
щается быстрее и в большем объеме,
что приводит к большей концентрации
взвешенных частиц.
При подготовке поверхностей к де-
фектоскопии они должны быть тща-
тельно очищены и высушены. При про-
ведении работ необходимо соблюдать
соответствующие требования техники
безопасности.
5.3. Механические методы
испытаний
К числу механических нераз-
рушающих методов испытаний отно-
сятся метод местных разрушений, ме-
тод пластических деформаций и метод
упругого отскока. Метод, местных
разрушений, хотя и принято его от-
носить к неразрушающим, все же
связан с определенным ослаблением
несущей способности конструкций.
Наиболее полную информацию о
прочностных свойствах материалов кон-
струкций дает лабораторное испыта-
ние образцов, изъятых из тела кон-
струкций. Отбор проб из металлических
конструкций осуществляется путем ог-
невой резки, причем объем выреза-
емого из конструкции металла должен
превышать изготовляемый из него обра-
зец для исключения зон с измененной
структурой металла в процессе тем-
пературного нагрева. Толщина этой зо-
ны принимается 10 мм. Место вырезки
образца должно быть соответствующим
образом усилено путем наварки вставок
и накладок, при этом следует преду-
смотреть мероприятия по уменьшению
остаточных напряжений от сварки.
5.3. Механические методы испытаний
95
Отбор образцов следует производить
в наименее напряженных элементах
конструкций, какими являются верх-
ние пояса балок у крайних шарнир-
ных опор, нулевые стержни ферм и т. д.
Указанная рекомендация в определен-
ной степени снижает эффективность
описываемого приема, так как в мно-
гоэлементных металлических конструк-
циях по характеристикам одного эле-
мента не всегда можно судить о
характеристиках других. Кроме того,
число образцов, изъятых из изучаемого
объекта, не может быть большим, что
снижает представительность получен-
ной информации. Но при этом сле-
дует учитывать, что способ отбора проб
позволяет выявить прочностные харак-
теристики материала непосредственно.
При взятии проб из железобетон-
ных конструкций используют алмазные
коронки и диски из синтетических
алмазов. Размеры кубов для испы-
таний на сжатие должны быть не
менее 70,7 мм, балочки для испы-
тания на изгиб должны иметь сечение
100X100 мм при длине 400 мм. Этим
условиям могут отвечать образцы, по-
лучаемые при изучении массивных
конструкций. При невозможности из-
влечения образцов указанных размеров
можно испытывать образцы иного объе-
ма, при этом учитывая масштабный
фактор. После извлечения образцов из
тела конструкции необходимо сразу же
заделать образовавшиеся пустоты, ис-
пользуя при этом бетоны, приготовлен-
ные с использованием безусадочных
цементов. Необходимо проводить испы-
тания образцов сразу после их извле-
чения. В противном случае необходимо
применять соответствующие мероприя-
тия для консервации образцов.
Рациональным является установка
в тело объекта бездонных форм, за-
кладываемых в тело конструкции при
ее бетонировании и извлекаемых затем
для проведения испытаний.
В меньшей мере подвергаются внеш-
ним возмущениям конструкции при ис-
пользовании приемов, основанных на
косвенном определении механических
характеристик. В основном это связано
с определением прочности бетонов.
Прочность бетона может быть уста-
новлена путем испытания на отрыв
со скалыванием. Эти испытания свя-
заны с извлечением из тела бетона
либо предварительно установленных
анкеров, либо отрыва из массива неко-
торой его части. На рис. 5.3 пред-
ставлена принципиальная схема таких
испытаний. С помощью домкратов из
тела бетона 3 извлекается анкер 1 и
фиксируется величина силы, соответ-
ствующей моменту извлечения объема
бетона 2. Предел прочности бетона
определяется формулой
R = kmP,
где k — коэффициент, находящийся в соответ-
ствующих нормативных документах; пг — коэф-
фициент, принимаемый равный 1 при крупности
заполнителя до 50 мм и— 1,1 при заполнителе
большей крупности; Р — сила, соответствующая
отрыву и определяемая по манометру.
Достоинством этой схемы является
то, что отсутствует необходимость по-
строения градуировочной кривой.
Менее трудоемким является прием,
основанный на определении прочности
бетона отрывом. На поверхность бетона
(рис. 5.4,/) эпоксидным клеем 4 кре-
пится стальной диск 5. Для исклю-
чения вытекания эпоксидной смолы за
пределы стального диска между по-
верхностью конструкции и диском укла-
дывается бумажное кольцо 3. Для обес-
печения крепления диска с конструк-
цией в процессе твердения эпоксидной
смолы контур диска обмазывается гип-
совым раствором 2, который удаля-
ется при проведении испытания. Ско-
рость нагружения диска не должна
превышать 1 кН/с. Определение класса
бетона производится с помощью гра-
дуировочной зависимости условного
напряжения /? = 4Р/(лс(2) при отрыве от
предела прочности R с при сжатии бе-
тонных кубиков с размерами сторон
200 мм, d — диаметр диска, Р — уси-
лие, при котором происходит отрыв.
На каждом образце проводят испы-
тания на отрыв на двух противо-
положных гранях.
96
Глава 5 Не разрушающие методы испытания строительных конструкций
Прочность бетона может быть уста-
новлена на основании определения
усилия Р скалывания участка ребра
конструкции. На рис. .5.5 представлена
схема соответствующей установки. При
ширине площадки скалывания равной
30 мм ребро конструкции поврежда-
ется на участке 60—100 мм. Для
получения результатов испытания
проводят как минимум на двух сосед-
них участках и берут среднее зна-
чение. Для построения градуировочной
зависимости усилия скалывания и проч-
ности бетона на сжатие R испытывают
стандартные бетонные кубы, стороны
которых равны 200 мм. Пример гра-
дуировочной кривой приведен на
рис. 5.6.
Метод пластических деформаций ос-
нован на оценке местных деформаций,
вызванных приложением к конструкции
сосредоточенных усилий. Этот метод
основан на зависимости размеров от-
печатка на поверхности элемента, по-
лученного при вдавливании индентора
статическим или динамическим воздей-
ствием, от прочностных характеристик
материала. Достоинство этого метода
заключается в его технологической
простоте, недостаток — суждение о
прочности материала по состоянию по-
верхностных слоев.
Твердость по Бринеллю НВ опре-
деляется при статическом вдавливании
стального шарика 1 (рис. 5.7) в тело
испытуемого металла 2. Оценивается
она значением величины
НВ = 2Р/[лг(п-д/£)2—d2)] ,
где Р — нагрузка на шарик, Н; D—диаметр
шарика, мм; d — диаметр отпечатка, мм.
От твердости можно перейти к времен-
ному сопротивлению углеродистой ста-
ли, МПа:
ов=0,35НВ.
Существуют методы определения
твердости по Роквеллу и Виккерсу.
В первом случае вдавливается алмаз-
ный конус с углом при вершине 120° или
Рис 5 5 Установка для
скалывания ребра
конструкции
R,
Рис 5 6. Градуировочная
кривая определения
прочности бетона по
усилию скалывания
ребра конструкции
5.3. Механические методы испытаний
97
Рис 5 8 Схема прибора
Польди
стальной шарик диаметром 1,588 мм под
действием двух последовательно при-
ложенных нагрузок, во втором — ал-
мазная пирамида с двухгранным углом
при вершине, равным 136°. С помощью
соответствующих таблиц возможен пе-
реход от одной твердости к другой.
Для определения твердости металла
в строительной практике широко при-
меняется прибор Польди ударного
действия, схема которого представлена
на рис. 5.8, а. При ударе по стержню
/ молотком на поверхности металли-
ческой детали 4 и . на эталонном
бруске 3, твердость материала НВ0
которого известна, остаются отпечатки.
4 Зак 130
Диаметр D стального шарика 2 из-
вестен, определяются (рис. 5.8, б) ди-
аметры отпечатков на испытуемой по-
верхности (/ и на эталонном бруске
dc. Твердость металла определяется
по формуле
НВ = НВ0(о-л//(d-д/ D2-d2) .
Твердость эталонного бруска долж-
на быть близка к твердости испы-
туемой поверхности, в противном слу-
чае необходимо вводить соответствую-
щие поправочные коэффициенты.
При определении прочности бетона
используются приборы статического
действия, типа Штампа НИИЖБ и
прибора М. А. Новгородского, и удар-
ного, к числу которых относится прибор
К- П. Кашкарова.
Схема прибора Штампа НИИЖБ,
разработанного Г. К- Хайдуковым,
А. И. Годером и Д. М. Рачевским,
представлена на рис. 5.9, а. Принцип
действия следующий: между испытуе-
мой поверхностью 1 и штампом 3
прокладывается лист белой бумаги и
лист копировальной бумаги 2 так, чтобы
на белой бумаге оставался отпечаток
штампа при его вдавливании в тело
бетона опертым на металлическую
скобу 5 гидравлическим домкратом 4.
По диаметру отпечатка с помощью
градуировочной кривой (рис. 5.9, б)
в зависимости от радиуса штампа
г и соответствующей силы Р вдавли-
вания определяют класс бетона (кри-
вая 6—г=10 мм, Р = 22 кН; кривая
7—г= 14 мм, Р = 20 кН; кривая 8—г =
= 24 мм, Р=16 кН).
Большое применение в практике
находит молоток К. П. Кашкарова,
схема которого представлена на
рис. 5.10, а. Внутри головки молотка
1 имеется полый стакан 3 и пружина 7
(рис. 5.10, б). Эталонный стержень 4
имеет диаметр 10 или 12 мм и длину
100—150 мм. Изготовлен он из круглой
прутковой стали марки ВСтЗсп2 или
ВСтЗпс2 с временным сопротивлением
разрыву 420—460 МПа.
98
Глава 5 Не разрушающие методы испытания ст роительных конструкций
В)
Duanemp отпечатка,мм
б)
Рис 5 9 Схема прибора
ШтампН ИИЖБ
Рис 5 10 Схема молотка
К П Кашкарова
Рис 5 11 Г радуировочная
кривая для определения
прочности бетона в возрасте
28 сут
5.3. Механические методы испытаний
99
Удар молотком 1 наносят, держа его
за ручку 2, перпендикулярно по-
верхности бетона 6, диаметр отпе-
чатка на бетоне d б при этом должен
составить 0,3—0,7 диаметра стального
шарика 5, а наибольший диаметр
отпечатка d3 не должен быть менее
2,5 мм. Расстояние между лунками
отпечатков должно быть не менее 30 мм,
а на поверхности эталонного стержня
не менее 10 мм. После каждого удара
эталонный стержень смещается на
величину более 10 мм. Количество
испытаний на каждом участке конструк-
ции не должно быть менее 5. Удары
следует наносить через листы копи-
ровальной и белой бумаги, чтобы по-
грешность измерения диаметров отпе-
чатков не превышала 0,1 мм. Для
повышения точности измерений можно
применять микроскопы с делением не
менее 0,01 мм.
В зависимости от отношения de/d3
по градуировочной кривой (рис. 5.11),
определяется прочность бетона, если он
испытывается в возрасте 28 сут при его
влажности 2—6%. В противных слу-
чаях прочность бетона на сжатие
R находится по формуле
R = k д6т/?28,
где /гв — коэффициент, учитывающий влаж-
ность бетона; kx — коэффициент, учитывающий
возраст бетона.
Определение этих коэффициентов
производится по графикам рис. 5.12, а и
б. Для повышения точности результатов
определения прочности при работе с
прибором рекомендуется уточнять необ-
ходимое количество отпечатков по фор-
муле
4*
п=400[(*тах—/?min)//?cP]2^2,
где 7?max, 7?min, 7?ср максимальное, минималь-
ное и среднее значения предела прочности;
k — коэффициент, определяемый в зависимости
от числа полученных отпечатков п (рис. 5.12, в).
Погрешность определения прочно-
сти бетона на сжатие эталонным мо-
лотком составляет 10—15%. Для опре-
деления диаметра отпечатка на бетоне
и эталонном стержне может быть при-
менен угловой шаблон (рис. 5.13),
позволяющий измерять диаметр с точ-
ностью до 0,1 мм. Шаблон изго-
товляют из двух стальных измеритель-
ных линеек. Концы линеек стачивают
так, чтобы взаимному их соприкосно-
вению соответствовала метка, равная
10 мм. Расстояние между линейками,
соответствующее 20 см, должно быть
равно 10 мм. При измерении отпе-
чатков на бетоне угловой шаблон
надвигают поперек большей оси отпе-
чатка так, чтобы края отпечатка сов-
падали с внутренними гранями линеек
на одних и тех же делениях. Из
зафиксированного деления вычита-
ется нулевой отсчет, равный 100 мм,
который затем делится на 10, в ре-
зультате чего получается искомый ди-
аметр отпечатка.
Метод упругого отскока основан на
существовании зависимости между па-
раметрами, характеризующими упругие
свойства материала, и параметрами,
определяющими прочность на сжатие.
Существуют два принципа построения
приборов. Один основан на отскаки-
вании бойка от ударника-наковальни,
прижатого к поверхности испытуемого
материала, другой — на отскакивании
от поверхности испытуемого материала.
100 Глава 5. Не разрушающие методы испытания строительных конструкций
5.3. Механические методы испытаний 101
В большей степени развивается пер-
вый принцип. Он реализован в молотке
Шмидта, получившем широкое распро-
странение за рубежом. В СССР
применяются приборы типа КМ (Киев-
ский метрострой), а его модификация
разработана Опытным заводом
ЦНИИСК (рис. 5.14, а).
Основной частью прибора является
полый цилиндр, внутри которого нахо-
дится спиральная пружина 2. Внутри
пружины помещен металлический стер-
жень, вдоль которого перемещается
боек 3. Прибор заканчивается ударни-
ком 1. Когда боек занимает правое
положение, фиксируемое защелкой 7,
он растягивает пружину 2 и сжимает
возвратную пружину 9.
При проведении испытаний прибор
устанавливают перпендикулярно ис-
пытуемой поверхности, предварительно
нажав на кнопку включения 11 для
вывода ударника и захвата бойка
держателем 6. После этого плавно
нажимая на ручку 10 корпуса прибора,
втапливают ударник в корпус. При этом
ударная пружина растягивается. В тот
момент, когда держатель достигнет
упорного болта S, освободится головка
бойка и последний под действием удар-
ной пружины придет в соприкосновение
с ударником и отскочит на расстояние,
фиксируемое указателем 4 по шкале
5. До удара боек находится в левом
положении, после удара — в правом.
Если наконечник ударника выполнен
в виде колпачка из закаленной стали
(рис. 5.14, б), то прочность бетона
определяется по величине отскока, если
же колпачек (рис. 5.14, в) заканчи-
вается стальным шариком 12, то фик-
сируется диаметр отпечатка d. Нако-
нечники являются съемными, что по-
зволяет определять прочность бетона
на сжатие /?сж по двум показателям:
высоте отскока h и диаметру отпе-
чатка d.
При испытаниях бетона удары на-
носятся не ближе 20 мм в осях и не
менее 55 мм от оси ударника до края
изделия. Градуировочные кривые стро-
ят для конкретных производственных
условий с установившейся технологи-
ей на основе сопоставления результатов
разрушающих методов испытания ку-
биков с данными, получаемыми при-
бором КМ. На рис. 5.15, а и б при-
ведены примеры градуировочных ха-
рактеристик при оценки прочности по
отскоку и вдавливанию.
В 1971 г. Б. Б. Ужполявичюс пред-
ложил для определения твердости бето-
на склерометр, основанный на регистра-
ции величины отскока стального стер-
жня. Схема прибора представлена на
рис. 5.16. Склерометр состоит из ци-
линдрического корпуса 12, к передней
части которого при помощи рабочей
пружины 3 крепится стальной стер-
жень-ударник 14 из закаленной стали.
В корпусе склерометра свободно сколь-
зит направляющая труба 13, которая
соединена с корпусом пружиной 2,
выталкивающей трубу из корпуса. На-
правляющая труба упирается в поверх-
ность бетона упором 15. К трубе шар-
нирно прикреплена защелка 10. Торцы
закрыты передней 1 и задней 8 крыш-
ками.
При определении твердости труба
13 прижимается пружиной 2 к по-
верхности бетона (рис. 5.16, а). Для
вытяжения рабочей пружины 3 и воз-
вратной пружины 2 смещают корпус
от поверхности до момента захвата
ударника защелкой 10 (рис. 5.16, б).
Затем корпус плавно смещают по на-
правлению к испытуемой поверхности.
При этом растягивается ударная пру-
жина 3. Когда защелка 10 соприкос-
нется с задним кольцом 9, удар-
ник освободится от закрепления
(рис. 5.16, в), после этого ударник
взаимодействует с поверхностью и от-
скакивает от нее на расстояние h,
а указатель отскока 5 фиксирует зна-
чение этого расстояния (рис. 5.16, г).
Указатель 5 перемещается по направ-
ляющему стержню 6, а пружина ука-
зателя 4 входит в контакт с возвратным
кольцом 7.
Прибор транспортируется при вдви-
нутом положении трубы 13. Для этого
после удара следует нажать кнопку
11 и плавно снять усилие с упора.
102 Глава 5 Не разрушающие методы испытания строительных конструкций
В НИИ строительства Госстроя
ЭССР разработан измеритель проч-
ности бетона (рис. 5.17). В его комплекс
входят склерометр с магнитоупругим
преобразователем и аналого-цифровой
преобразователь с микропроцессором
(АЦПМ). При взаимодействии удар-
ника 10 с поверхностью бетона, в
которую уперто опорное кольцо /,
вырабатывается электрический сигнал,
передаваемый 6 на аналогово-цифровой
преобразователь с микропроцессором.
Противовес 5 включен в схему скле-
рометра с целью снижения зависимости
сигнала от угла наклона оси склеро-
метра к горизонтали при нанесении
удара. Постоянство силы удара обес-
печивается системой, состоящей из уп-
ругой пружины 3 и упора 4, управ-
ляемых курком 8 и зацепной пру-
жиной 9, находящихся в цилиндре 2.
Прибор снабжен ручкой 7.
АЦПМ состоит из измерительного
блока, блока процессора, блока кла-
виатуры и индикации. Он выполнен в
виде переносного прибора с автономным
питанием от аккумуляторной батареи.
Масса прибора не более 3 кг, габа-
рит 100X180X370 мм. Погрешность
измерения выходного сигнала от скле-
рометра не более 2%. В память прибо-
ра предварительно вводят параметры
градуировочной кривой, минимальное
значение прочности и максимальное до-
пустимое значение коэффициента из-
менчивости. На цифровом индикаторе
высвечиваются число контролируемых
участков на конструкции, средняя проч-
ность бетона в конструкции и коэффи-
циент вариации прочности.
К механическим следует отнести
также методы, основанные на изучении
поведения конструкций при воздействии
на них вибрационных нагрузок и при
возбуждении свободных колебаний.
Здесь следует выделить три основные
задачи.
При контроле строительных деталей
серийного производства динамические
методы позволяют провести массовый
контроль продукции и для каждого
изделия определить его частоты или
а)
5)
Рис. 5.20. Распространение
продольных волн
5. 4 Основы акустических методов испытания конструкций 103
хотя бы только первую, наименьшую,
частоту, а также декремент колебаний.
Резкое снижение частоты и увели-
чение декремента указывают на сни-
жение жесткостных характеристик кон-
струкций. При проведении повторных
динамических испытаний эксплуати-
руемых конструкций отклонение от
ранее найденных.динамических пара-
метров, полученных в идентичных усло-
виях, указывает на изменение состоя-
ния испытуемого объекта.
И, наконец, динамические испыта-
ния, проводимые на стадии приемки
конструкции в эксплуатацию, позво-
ляют установить соответствие принятой
расчетной схемы условиям действитель-
ной работы. С помощью динамических
методов испытания могут быть решены
вопросы о значении величины натяже-
ния арматуры, тросов и канатов, о
значениях усилий в элементах метал-
лических ферм и т. п.
При использовании резонансного
метода конструкция подвергается гар-
моническому нагружению, причем же-
лательно нагрузку прикладывать так,
чтобы упругая линия в процессе коле-
баний была бы максимально близка к
первой форме свободных колебаний.
Путем замера прогибов или деформа-
ций в конструкции на разных частотах
строится амплитудно-частотная харак-
теристика (рис. 5.18). Для строитель-
ных конструкций, обладающих, как пра-
вило, малым затуханием, наибольшей
ординате АМакс соответствует собствен-
ная частота Декремент колебаний
может быть определен по формуле
6 = л((О2 — (01 )/G/3Q 1).
Значения частот определяют в соот-
ветствии с рис. 5.19.
Из записи свободных колебаний
можно приближенно определить соб-
ственную частоту и декремент ко-
лебаний
Qi =2ji/7’i;
д = 1п(Д„+ i/An) •
5.4. Основы акустических
методов испытания
конструкций
Ультразвуковые акустические
методы построены на изучении харак-
тера распространения звука в конструк-
ционных материалах. Звук — колеба-
тельное движение частиц упругой сре-
ды, распространяющееся в виде волны
в газообразной, жидкой или твердой
среде. Упругие волны принято делить
на инфразвуковые частотой до 20 Гц,
звуковые, частота которых лежит в
пределах от 20 Гц до 20 кГц, ультра-
звуковые частотой от 20 кГц до
1000 МГц и гиперзвуковые, частота
которых превышает 1000 МГц. При
испытании бетонов и керамик исполь-
зуют ультразвуковые колебания часто-
той от 20 кГц до 200 кГц, а при
испытании металлов и пластмасс —
частотой от 30 кГц до 10 МГц.
Существует ряд методов использо-
вания ультразвука в практике. Наи-
большее распространение получил ульт-
развуковой импульсный метод, резо-
нансный метод, импедансный метод и
метод акустической эмиссии. Акусти-
ческие методы строятся на известных
из физики зависимостях, определяющих
характер распространения волн в
сплошных средах. Картина распростра-
нения волн является достаточно слож-
ной, так как при воздействии на среду
быстропротекающих процессов воз-
буждаются волны различного типа.
Рассмотрим распространение про-
стейших одномерных продольных волн
в упругом стержнё, площадь попе-
речного сечения которого равна F,
а модуль упругости равен Е. Будем
предполагать, что в стержне плоские
поперечные сечения остаются плос-
кими, распределение продольных на-
пряжений однородно вдоль всего стерж-
ня, радиальная инерция очень мала, а
коэффициент Пуассона материала
JLX = 0.
Пусть к торцу стержня в момент
времени / = 0 (рис. 5.20, а) прикла-
дываются равномерно распределенные
безмассовые силы о, действующие в
104 Глава 5 Неразрушающие методы испытания строите льных конструкций
течение времени /=т. Тогда за время
/=т будет обжат напряжениями о
участок стержня длиной г = ит, где v —
скорость распространения фронта про-
дольной волны вдоль стержня. При
этом торец стержня получит смещение
на величину (рис. 5.20, б)
А = тгут.
Средняя скорость сср смещения тор-
ца определяется по формуле
А__а
Сср— т Е
Если предположить, что время дей-
ствия нагрузки мало (импульсная на-
грузка), т. е. т->0, то скорость
смещения торца определится как
..А а
с = lim — = —V .
т-0 т Е
(5.1)
Воспользуемся теперь уравнением
количества движения
т
j oFdt = cm — cQmQ . (5.2)
о
Учтем, что о, F н с — величины,
имеющие постоянные значения, со = О,
так как до приложения нагрузки торец
не смещался, а масса m определя-
ется длиной участка стержня
2==УТ,
откуда, следует, что
(5.3)
где р — плотность материала.
Интегрируя левую часть уравнения
(5.2) и учитывая в правой части
соотношения (5.1) и (5.3), будем
иметь
„ о „
огт=^ ирг ит.
После сокращения в обеих частях одно-
именных величин, получим
y=V^/P
(5-4)
В общем случае зависимость между
скоростью распространения упругих
волн и физическими константами среды
может быть выражена формулой
у =~\1 КЕ/р,
где К=1 при определении скорости распро-
странения продольных упругих волн в тонких
стержнях, когда F^l2, где 1—длина волны,
определяемая как
X = y/f.
При использовании ультразвука в
металлах длина волны X изменяется в
пределах от 0,4 до 233 мм, а в же-
лезобетоне — от 10 до 275 мм. Длина
волны является одним из параметров,
определяющих разрешающую способ-
ность метода измерений. Следует под-
черкнуть, что приведенные выше рас-
суждения носили в определенной степе-
ни упрощенный характер, так как не
учитывались неоднородность конструк-
тивных материалов и наличие сил
сопротивления, приводящих к затуха-
нию процесса распространения волн.
Определяя скорость распростране-
ния продольных волн в тонкой пла-
стине при ее толщине меньшей длины
волны следует принять /(=1/(1 — ц2),
а в неограниченной среде
KHi-nXi+HrVi-^)-1.
При рассмотрении скорости распро-
странения сдвиговых (поперечных) уп-
ругих волн в любой среде К=
= 0,5(1+ ц)~\ а при рассмотрении уп-
ругих поверхностных волн (волн Рэ-
лея).
Я=0,5(0,87 + 1,1 2ц)2( 1 + ц)"1.
Ультразвуковым импульсным мето-
дом решаются задачи дефектоскопии
строительных конструкций и определя-
ются физико-механические константы
материалов: прочности, упругие харак-
теристики, пористость.
При использовании нормальных
волн (волн Лэмба), возникающих в
плоских телах и телах постоянной
толщины,
Я=Л262И72(1-И2)-73,
где 6 — толщина рассматриваемого объекта, ко-
торая должна быть существенно меньше длины
волны.
5,4. Осйовы едфсгнчезддо жатодев испытания конструкций 105
Рис. 5.21. Пьезоэлектричес- Рис. 5.22. Магнитострикци-
кий преобразователь онный преобразова тель
Любая ультразвуковая установка
состоит из отдельных элементов ап-
паратурного обеспечения эксперимента.
В этот комплекс входят излучатель
и приемник колебаний. В отдельных
случаях излучатель одновременно мо-
жет выполнять и функции приемника,
а в методе акустической эмиссии он
используется лишь как приемник. Име-
ются источник питания, усилители сиг-
налов на входе и выходе, регистри-
рующая аппаратура (электронный ос-
циллограф или цифровой индикатор).
При использовании электронного ос-
циллографа обычно применяется за-
держка изображения, позволяющая ре-
гистрировать сигнал, сохраняемый на
экране во времени.
Излучатели и приемники—ультра-
звуковые преобразователи — могут
быть пьезоэлектрическими й магнито-
стрикционными. Пьезоэлектрический
преобразователь состоит из металли-
ческого корпуса 4 (рис. 5.21), внутри
которого располагается материал <?,
обладающий пьезоэлектрическим эф-
фектом. К числу таких материалов
относятся кристаллы кварца, турмали-
на, титаната бария и др. В последнее
время наибольшее применение находит
сегнетова соль. Кристалл, преобра-
зующий электрическую энергию в ме-
ханическую, и, наоборот, приклеивается
или прижимается к прокладке 2 с
помощью пружины /, предназначенной
для демпфирования свободных колеба-
ний.
На рис. 5.22 представлен магнито-
стрикционный преобразователь. Магни-
тостриктор. 2 собирается из тонких
изолированных друг от друга пластинок
из никеля или другого материала,
обладающего под действием магнитного
поля возможностью сжиматься и растя-
гиваться. Пакет пластинок помещается
в катушку, по которой пропускается
переменный электрический ток, если
преобразователь используется как излу-
чатель, или возникает переменный элек-
трический ток, если преобразователь
работает как приемник. В торце рас-
положена металлическая мембрана 3,
которая жестко прикреплена к кор-
пусу 1.
Преобразователи, представленные
на рис. 5.21 и 5.22, возбуждают
продольные волны. Для получения по-
перечных волн используется явление
трансформации продольной волны на
границе раздела двух сред. На рис. 5.23
представлена схема прохождения ульт-
развука через границу двух сред. На
границу раздела под углом а падает
продольная волна /. На границе она
трансформируется в проходящие и от-
раженные 2 продольные и поперечные
волны, причем угол преломления 0П₽
продольной волны 3 больше угла рпоп
преломления поперечной волны 4. Уве-
личивая угол а, можно достичь такого
106
Глава 5 Не разрушающие методы испытания строительных конструкций
положения, что проходящая продоль-
ная волна будет распространяться
только по поверхности и во второй
среде будут распространяться лишь
поперечные волны. Дальнейшее увели-
чение угла а позволяет придти к такому
положению, когда во второй среде
будет распространяться поперечная
волна лишь по границе раздела.
Практически описанная трансфор-
мация волн достигается применением
призматического преобразователя
(рис. 5.24), который состоит из пре-
ломляющей призмы 3 и излучателя 1.
На рисунке показаны луч падающей
продольной волны 2, луч проходящей
поперечной волны 5 и луч отраженной
волны 4.
Применительно к металлическим
конструкциям с помощью ультразвука
осуществляется контроль дефектов в
металле и контроль качества сварных
швов. На рис. 5.25, а показаны при-
меры использования теневого* метода.
Сигнал от излучателя 1 и приемника
3 подается на экран осциллографа
(рис. 5.25, б), причем при наличии
дефектов 2 происходит снижение или
5.24
5.26
5.25
5.27
Рис. 5 24. Схема
призматического
преобразователя
Рис 5.25 Схема
прозвучивания изделий
теневым методом
Рис. 5.26. Наклонное и
поверхностное
прозвучивание
полное исчезновение сигнала, воспроиз-
Рис. 5.27. Схема
водимого приемником.
Трассы прозвучивания конструкций
могут иметь произвольное направление.
прозвучивания изделий
эхо-методом с
со от ее тствующими
осциллограммами
5 4. Основы акустических методов испытания конструкций
107
На рис. 5.26, а приведен пример
наклонного прозвучивания продольной
волной, а на рис. 5.26, б — поверх-
ностное прозвучивание поперечной вол-
ной.
При невозможности одновременного
доступа к двум соосным точкам на
разных поверхностях изделия исполь-
зуется эхо-метод (рис. 5.27). В этом
случае преобразователь 1 выполняет
функции как излучателя, так и прием-
ника. Этот метод позволяет как обна-
ружить наличие дефекта 2, так и опре-
делить толщину изделия Н и рас-
стояния h до места расположения
дефекта. Если провести неоднократное
прозвучивание поверхности, то на без-
дефектных участках (рис. 5.27, а) на
экране осциллографа 3 будет реги-
стрироваться постоянный промежуток
t\ между моментом посылки сигнала
и моментом его получения. В местах,
где имеются дефекты (рис. 5.27, б),
происходит существенное изменение
этого времени, определяемого теперь
как /2- Для стальных конструкций
скорость распространения ультразвука
с является стабильной величиной, что
108 Глава 5. Неразрушающие методы испытания строительных конструкций
позволяет из достаточно элементарных
соображений определить неизвестную
толщину металла H = 0,5ct\. Расстоя-
ние до месторасположения дефекта те-
перь может быть определено как Л =
= 0,5с/2.
Можно также отметить существо-
вание зеркально-теневого метода, когда
излучатель и приемник устанавлива-
ются на одной и той же поверхности
изделия в непосредственной близости.
Такой подход позволяет при двух- и
одностороннем прозвучивании исполь-
зовать одну и ту же выпускаемую
промышленностью аппаратуру.
При контроле качества сварных
швов отмеченными методами обнаружи-
ваются шлаковые включения, ракови-
ны, газовые поры, трещины и не-
провары. Для контроля стыковых сое-
динений применяются призматические
преобразователи с различными углами
падения ультразвуковых волн а. Так
как обычно в стыковых соединениях
дефекты развиваются вдоль поверх-
ностей свариваемых изделий, то в про-
цессе контроля преобразователь пере-
мещают вдоль шва по зигзагообразной
линии.
При сварных швах толщиной 250—
300 мм и более используют преоб-
разователи с углом а = 30°, при толщи-
нах 200—250 мм — преобразователи с
а = 40°, при более тонких швах — пре-
образователи с а = 50—55°.
На рис. 5.28 приведены возможные
варианты исследования дефектов в
сварном соединении встык. На схеме
а представлено использование эхо-
метода для контроля нижнего участка
шва, а на схеме б — верхнего. Схема
в иллюстрирует применение эхо-метода
при отражении волны от нижней по-
верхности. Схема г иллюстрирует при-
менение зеркально-теневого метода.
Ультразвуковой контроль является
единственным методом, позволяющим
выявлять в тавровых и нахлесточных
соединениях внутренние трещины с рас-
крытием менее 0,2 мм и непровары в
корне шва. На рис. 5.29 представ-
лены примеры расположения призмати-
ческих преобразователей для контроля
сварного таврового соединения в ниж-
ней 1 и верхней 2 зонах.
При контроле сварных швов необ-
ходимо пользоваться эталонами —
предварительно сваренными фрагмен-
тами соединений с искусственно сделан-
ными дефектами. Отражение (эхо-
метод) или ослабление (теневой метод)
сигнала при наличии дефекта в кон-
струкции сравнивается' с эталонным.
Применительно к испытанию бетона
ультразвуковой импульсный метод по-
зволяет не только проводить дефекто-
скопию изделий, но и определять
физико-механические характеристики
бетонов.
Так как бетон является неоднород-
ным материалом, то при его дефекто-
скопии возможно выявить лишь дефек-
ты, размеры которых превышают харак-
терный размер заполнителя. Наиболь-
шее развитие получили два метода
импульсной ультразвуковой дефекто-
скопии бетона: метод сквозного про-
звучивания и метод продольного про-
филирования (метод годографа). Оба
метода основаны на изменении ско-
рости распространения ультразвука на
дефектных участках.
При сквозном прозвучивании две
противоположные поверхности объекта
размечаются так, чтобы соответствую-
щие точки, в которых устанавливаются
излучатель 1 и приемник 2, распо-
лагались соосно (рис. 5.30). Поверх-
ность обычно размечают прямоуголь-
ной сеткой, узлы которой определяют
трассы 3 прозвучивания. Проводя про-
звучивацие в достаточно большом числе
узлов можно построить изохроны (ли-
нии равных времен прохождения звука
по толщине) или изоспиды (линии
равных скоростей распространения зву-
ка). Изохроны строятся в том случае,
когда длины трасс прозвучивания в раз-
личных точках поверхности различают-
ся не более чем на 0,3—0,5%. При
разметке точек, определяющих поло-
жение трасс прозвучивания, следует
избегать пересечения трассами армату-
ры. Расположение арматуры может
быть выявлено магнитными методами.
Исследуя изоспиды, можно выявить зо-
5.4. Основы акустических методов испытания конструкций 109
Рис. 5.28. Схема контроля
сварного соединения встык
Рис 5.29. Схема контроля Рис 5 30. Схема сквозного
сварного таврового прозвучивания
соединения
ны с пониженными скоростями рас-
пространения ультразвукового импуль-
са, что и определяет зоны, на которых
имеется дефектный бетон.
Метод продольного профилирования
(рис. 5.31, а) удобен тем, что при его
использовании излучатель 1 и приемник
2 располагаются на одной поверх-
ности изделия. Однако обнаружение де-
фектов возможно лишь в полосе
толщиной 1—1,5Л, где Л — длина волны,
что составляет от 1 до 15 см. Кроме
того, интерпретация результатов из-
мерений менее четка, чем при сквозном
прозвучивании. Наличие дефектов 3
выявляется по отклонению эксперимен-
тальных точек 4, получаемых при по-
следовательном перемещении приемни-
ка, от прямой 5' (рис. 5.31, б).
При размещении излучателя и при-
емника на одной поверхности может
быть решена задача о глубине у
развития трещины, выходящей на по-
верхность (рис. 5.32). Для этого на
110 Глава 5 Неразрушающие методы испытания строительных конструкций
дефекта методом
продольного профилирования
но оси трещины устанавливают излу-
чатель и приемник, после чего экспе-
риментально определяют время t\ про-
хода импульса по трассе АВС. На
ненарушенном участке бетона опреде-
ляют скорость прохода ультразвука,
для чего располагают излучатель и
приемник на некотором расстоянии Ь,
фиксируют время /2 и находят ско-
рость v = b/ti. Соотношение, опреде-
ляющее скорость прохождения звука
по трассе АВС, будет выглядеть так:
v = 2-^'c^ -\-у2/t\. Приравнивая скорости,
получим
Рис. 5.32. Схема определения
глубины трещины
у=-у/0,25 b2 t2/t22-a2 .
В последнее время при исполь-
зовании импульсного ультразвукового
метода, применительно к бетонным кон-
струкциям, вместо осциллографов ис-
пользуют микросекундомеры, на цифро-
вых индикаторах которых высвечива-
ется промежуток времени между по-
сылкой импульса излучателем и реги-
страцией времени прихода на прием-
ник фронта импульса.
В соответствии с формулой (5.4)
имеется связь между скоростью рас-
пространения ультразвука v, плот-
ностью р и модулем упругости Е.
В формуле (5.4) Е — это динами-
ческий модуль упругости, который
отличается от статического модуля
Рис. 5.33. Градуировочная
зависимость при
прозвучивании бетона
ультразвуковым импульсным
методом
5 4 Основы акустических методов испытания конструкций
111
упругости и это отличие может дости-
гать 10 и более процентов. Плотность
материала может быть определена не-
посредственно взвешиванием или ра-
диометрическим методом. Динамиче-
ский коэффициент Пуассона можно
найти, если провести определение ско-
ростей распространения ультразвука
в стержне vc и кубе vKi изготов-
ленных из одного и того же замеса.
Для определения прочности бетона
/? по скорости ультразвука необхо-
димо построить градуировочную кривую
(рис. 5.33). Для этого изготовляют
не менее 45 образцов в идентичных
условиях и проводят испытания с образ-
цами различного возраста. Затем про-
водят прозвучивание каждого образца
в направлении, перпендикулярном к на-
правлению укладки бетона, а затем
испытывают кубы на прессе до разру-
шения. Детально отмеченная процеду-
ра регламентируется соответствующим
ГОСТ.
Далее используются формулы, поз-
воляющие перейти от динамических
характеристик к статическим. В эксплу-
атируемых конструкциях прочность бе-
тона может быть определена по эмпи-
рическим формулам
Я = Яо(у/уо)4, ЖЗОМПа;
R = R0v(S,87vq — 7,87и)~1, /?> 30 МПа,
где 7?о — средний предел прочности бетона в
кубах, число которых должно быть не менее
трех, — средняя скорость распространения
ультразвука в кубах.
На скорость распространения
ультразвука в бетоне влияют различ-
ные факторы: возраст бетона и усло-
вия его твердения, количество и тип
заполнителя, количество цемента, тем-
пература, тип и размеры арматуры,
напряженное состояние бетона. Прове-
дено большое число научных иссле-
дований, которые позволяют дать опре-
деленные рекомендации, которые содер-
жатся в литературе [5].
Резонансный метод связан с воз-
действием на конструкции возмущений
с изменяющейся частотой. При исполь-
зовании ультразвука для проведения
испытаний при стандартных возбуди-
телях колебаний можно рассматривать
в качестве исследуемых объектов лишь
образцы, геометрические размеры кото-
рых достаточно невелики. Достоинство
подобных экспериментов заключается в
том, что они открывают широкое поле
для выявления различных, ранее отме-
ченных факторов на динамические
характеристики материала, испыты-
ваемого импульсным методом.
При проведении резонансных ис-
пытаний используют образцы: призмы
размером 20X20X80; 15X15X60;
10X10X40; 7,07X7,07X28,3 см, а
также цилиндры диаметром 15; 7,14 см
при высоте образца соответственно
60 и 28,56 см. Проведенные при
этом испытания позволяют определить
динамические модули упругости и
сдвига.
Излучатель при проведении испы-
таний возбуждает гармонические коле-
бания с различной частотой. Приемник
воспринимает колебания системы и ре-
гистрируют эти колебания на экране
электронно-лучевого осциллографа или
на частотомерном индикаторе. При
построении амплитудно-частотной ха-
рактеристики применительно к строи-
тельным конструкциям, обладающим
малыми свойствами затухания, доста-
точно четко можно выявить те частоты,
которые соответствуют резонансным
режимам.
В результате проведенных испыта-
ний в рамках резонансного метода
можно установить совпадение частот
вынужденных и собственных колеба-
ний.
Использование известных формул
динамики сооружений позволяет по
найденному значению резонансной
частоты f (Гц) вычислить динами-
ческие модули упругости Е и G (Па).
На рис. 5.34 представлены три
схемы испытаний. При изучении про-
дольных колебаний а испытуемый
образец располагается на эластичной
112
Глава 5 Неразрушающие методы испытания строительных конструкций
а)
прокладке 3, толщина которой должна
быть не менее 20 мм, а ширина
вдоль балки не должна превышать
0,25 / (/ — длина балки). При изучении
изгибных колебаний б балка распо-
лагается на ножевых опорах 4, причем
размер консоли выбран так, чтобы воз-
будить форму колебаний, тождествен-
ную’ первой форме свободных коле-
баний балки, лишенной опор. При изу-
чении крутильных колебаний балка за-
жимается ножевыми опорами 4 в сере-
дине пролета. На схемах показаны
соответствующие расположения излу-
чателя 1 и приемника 2.
Изучение продольных колебаний
позволяет определить
= р/2 ,
изучение изгибных колебаний позво-
ляет определить
Е = ^р/4Д2,
изучение крутильных колебаний поз-
воляет определить динамический мо-
дуль сдвига
G=4^2pZ2,
где fn — резонансная частота продольных коле-
баний; fK — резонансная частота изгибных коле-
баний; fK — резонансная частота крутильных
колебаний, I — длина балки, м, h — высота балки,
м, р—плотность материала, кг«м-3; с — коэф-
фициент, зависящий от отношения h/l и опре-
деляемый по графику, приведенному на
рис. 5.35; k — коэффициент, зависящий от от-
ношения высоты сечения h к его ширине b
(рис. 5.36). Если h<Zb, то следует взаимо-
изменить смысл символов hub.
Приближенно значение динамиче-
ского коэффициента Пуассона может
быть определено по формуле
Рис 5 34 Схема возбуждения
колебаний резонансным
в зависимости от отношения
высоты балки к ее длине
К
Рис 5 36 График
определения коэффициента
k в зависимости от
отношения высоты балки к ее
ширине
p=(E/G — 2)/2.
Логарифмический декремент коле-
баний определяется в соответствии с
формулой, приведенной ранее на стр. 103.
5.5. Радиационные методы 113
Рис. 5.37. Схема
амплитудного акустического
импедансного метода
Импедансный метод основан на ре-
гистрации величины акустического им-
педанса участка контролируемого из-
делия. Изменение входного импеданса
может быть обнаружено по изменению
амплитуды или фазы силы, действую-
щей на датчик, возбуждающий в
изделии упругие колебания. На рис. 5.37
показана схема импедансного метода.
Датчиком 1 является стержень, кон-
тактирующий с поверхностью и совер-
шающий продольные колебания. Если
обшивка 2 жестко склеена с основным
материалом 4, то вся конструкция
колеблется как единое целое и импеданс
системы обшивка — клей 3 — кон-
струкция — датчик определяется жест-
костью всей конструкции. При этом
сила взаимодействия датчика и кон-
струкции будет существенной. Если же
стержень попадает в зону непроклея
5, то участок обшивки колеблется, как
тонкий элемент. Так как жесткость
обшивки существенно ниже жесткости
конструкции в целом, то сила взаи-
модействия существенно уменьшается.
Метод акустической эмиссии осно-
ван на регистрации акустических волн
в твердых телах при пластическом
деформировании и при возникновении
трещин. Регистрируя скорость движе-
ния волн эмиссии, можно обнаруживать
опасные дефекты и прогнозировать
работоспособность элементов конструк-
ций: зон концентрации напряжений в
металлических конструкциях, эволюцию
развития трещин в железобетонных
конструкциях, появление расслоев в
клееных деревянных конструкци-
ях и т. п.
Техника реализации метода аку-
стической эмиссии заключается в том,
что на поверхности изучаемого объек-
та устанавливается ряд приемников,
регистрирующих моменты прихода им-
пульсов и их значения в процессе
нагружения конструкции и ее эксплу-
атации. Интенсивная фиксация импуль-
сов предопределяет процессы, связан-
ные с развитием микро- и макро-
трещин в конструкции (см. раз-
дел 7.2).
При изучении основных проблем,
связанных с применением ультразву-
ка для дефектоскопии строительных
конструкций и определения физико-
механических свойств материала, необ-
ходимо остановиться на еще одном
методе испытаний — импульсном мето-
де. При испытании массивных кон-
струкций, характеризуемых большими
габаритами, применение ультразвука
оказывается неэффективным в связи с
затуханием волн при прохождении сре-
ды, однако, если использовать звуковой
диапазон, характеризуемый большей
длиной волн, то можно добиться опре-
деленного эффекта. При ударном мето-
де возмущения возбуждаются механи-
ческим ударом по конструкции и иссле-
дуется распространение волн напряже-
ний в среде.
5.5. Радиационные методы
Для изучения физико-механи-
ческих свойств материалов и дефекто-
скопии строительных конструкций при-
меняются радиационные методы. Наи-
более распространенными на практике
являются рентгеновский метод, метод
тормозного излучения ускорителей
электронов и у-метод. Эти методы при-
меняются при решении идентичных за-
дач. Перспективными являются метод
радиографии, построенный на исполь-
зовании позитронов, и метод просве-
чивания потоком тепловых нейтронов.
Использование нейтронов позволяет оп-
ределять содержание влаги в мате-
риале, а использование позитронов —
усталостные напряжения в материалах.
Рентгеновское, тормозное излучение
ускорителей электронов и у-излучение
1 14 Глава 5 Не разрушающие методы испытания < \роительных конструкций
рентгеновскими лучами
Рис 5 39 Схема
бетатронной установки
Рис 5.40 Схема
электростатического
линейного ускорителя
по своей природе являются высоко-
частотными электромагнитными волна-
ми, распространяющимися в вакууме
со скоростью света. Источниками
характеристического и тормозного ио-
низирующего излучения в диапазоне от
0,5 до 1000 кэВ служат рентгенов-
ские аппараты. Предел просвечиваемо-
го слоя составляет: для металла —
100 для бетона — до 350, для пласт-
5 5. Радиационные методы 115
массы — до 500 мм. Источниками
высокоэнергетического тормозного ио-
низирующего излучения в диапазоне
до 35 МэВ служат ускорители элект-
ронов. С их помощью возможно про-
свечивание слоя стали до 450, бетона
до 2000 мм. Источниками у-излучений
являются радиоактивные изотопы. Тол-
щины просвечиваемых слоев металла
достигают 100, бетона — до 300, пласт-
массы — до 500 мм.
Характеристическое излучение ис-
пускается возбужденными атомами при
их переходе в основное или менее
возбужденное состояние. Этот процесс
заключается в переходе электронов
с внешних оболочек атома на внутрен-
ние, из которых выбиты электроны
при бомбардировке атома заряженными
частицами. Тормозное излучение воз-
никает при прохождении электрона че-
рез поле атома или ядра, которым он
тормозится. Чтобы электрон мог прой-
ти близко от ядра материала мишени,
его энергия должна быть не менее
105 эВ.
Рентгеновское излучение (рис. 5.
38, а) возникает в результате резкого
торможения электронов <3, образующих
пучек катодных 4 лучей, при столк-
новении с атомами материала анода
2. При торможении электронов в ве-
ществе возникает непрерывный спектр
рентгеновских лучей 7, характерный
для вещества мишени. Одновременно
наблюдается и характеристическое из-
лучение. Часть кинетической энергии
электронов тратится на нагревание ано-
да. Кванты рентгеновского излучения
обладают свойствами частиц (фото-
эффект, рассеяние) и волновыми свой-
ствами (преломление, интерференция,
дифракция). Длина волны X любого
электромагнитного излучения — рент-
геновского, у-излучения, видимого све-
та, инфракрасного, радиоволнового,
ультрафиолетового, космического свя-
зана с частотой f соотношением
k = c/f, где с — скорость света
(с = 2,998 1 08 м-с-1). Чем меньше
длина излучения волны, тем больше его
энергия, а следовательно, проникаю-
щая способность.
При проходе преграды (рис. 5.38, б)
рентгеновскими лучами их интенсив-
ность снижается по мере увеличения
толщины преграды при наличии плот-
ных включений 6. Наличие пустот 5
равноценно уменьшению толщины пре-
грады. На рис. 5.38, в показана эпюра
интенсивности рентгеновского излуче-
ния за преградой.
На практике применяют рентгенов-
ское излучение при напряжениях на
источнике 1 от 20 В до 2000 кВ и
выше. В переносных рентгеновских ап-
паратах, применяемых для строитель-
ных целей, трубки питаются напряжени-
ем 100—200 кВ, что позволяет получать
рентгеновское излучение с энергией
£ = 70—140 МэВ.
Для получения рентгеновского излу-
чения с энергией до 30 МэВ исполь-
зуются бетатроны (рис. 5.39). Бетатрон,
индукционный ускоритель электронов,
состоит из ускорительной камеры /,
электромагнита 3, блоков питания 2, 6 и
пульта управления 5. В один из
патрубков бетатронной камеры встроен
инжектор 7 (электронная пушка). Коль-
цевая стеклянная вакуумная бета-
тронная камера расположена между
полюсами электромагнита и подобно
рентгеновской трубке является источ-
ником тормозного излучения.
Электромагнит предназначен для
индуцирования в вакуумной камере
электрического поля, необходимого для
ускорения и управления движением
электронов. Катушки электромагнита 4
питаются переменным током. Возникаю-
щий синусоидально изменяющийся маг-
нитный поток индуцирует в камере
вихревое электрическое поле. Под дей-
ствием этого поля электроны, введен-
ные инжектором в камеру, движутся
с ускорением по окружности. За каждый
оборот электроны получают относи-
тельно небольшое приращение энергии,
что объясняется малой напряжен-
ностью электрического поля; но совер-
шив большое число оборотов, они
ускоряются до энергии нескольких де-
116 Глава 5. Не разрушающие методы испытания строительных конструкций
сятков МэВ. Ускоренные электроны сме-
щаются с равновесной орбиты и направ-
ляются на анод 9 из платины или
вольфрама. В результате торможения
электронов возникает тормозное излу-
чение 8.
Фокусное пятно бетатрона имеет
очень маленькие размеры (0,1 —
0,01 мм2). Из него выходит интен-
сивный и узкий пучок излучения с
углом раствора 5—6°, что обеспечи-
вает высокую резкость снимков и
соответственно высокую чувствитель-
ность методов просвечивания. В на-
стоящее время используются стацио-
нарные, подвижные и переносные бета-
троны, причем масса электромагнита
переносных бетатронов составляет
23 кг, а энергия излучения £ = 3 МэВ,
при 100 кг £ = 6 МэВ.
В последние годы получили широ-
кое применение линейные ускорители.
На рис. 5.40 представлена схема
электростатического линейного ускори-
теля с энергией излучения до 2 МэВ.
Изолированный металлический полу-
шар 2 заряжается от быстродвижу-
щейся ленты /, на которую подается
заряд. Электроны, вылетающие из
катода 3, ускоряются в стеклянной
вакуумной трубке 4 за счет высокого
напряжения между полушаром и ниж-
ней точкой ускорителя. В результате
торможения на мишени (аноде) 5
генерируется тормозное излучение. Ли-
нейный ускоритель с бегущей волной
состоит из модулятора (источника им-
пульсного напряжения), высокочастот-
ного генератора электромагнитных
волн, волновода и инжекторов электро-
на с трубкой. Бегущая от генератора
электромагнитная волна при подаче на
него от модулятора импульса напря-
жения захватывает электроны. В вол-
новоде бегущая волна ускоряется, а
вместе с ней ускоряются электроны.
Ускоренные частицы, попадая на анод,
возбужают тормозное излучение. Мало-
габаритные ускорители характеризуют-
ся энергией до 10 МэВ.
Микротрон — резонансный цикли-
ческий ускоритель — состоит из элект-
ромагнита и вакуумной ускорительной
камеры. Камера представляет собой
полую цилиндрическую коробку, поме-
щенную в постоянное магнитное поле.
Внутри коробки на периферии смон-
тирована система ускорения электро-
нов. С изменением частоты движения
электронов по круговой траектории
синхронно изменяется частота перемен-
ного электрического поля системы уско-
рения. Микротрон позволяет ускорить
электроны до энергии в несколько де-
сятков и сотен МэВ. Микротроны как
источники тормозного излучения яв-
ляются весьма перспективными.
Источниками у-излучения являются
радиоактивные изотопы химических
элементов. При их радиоактивном рас-
паде в результате энергетических из-
менений внутри атома испускается
у-излучение. Гамма-кванты возникают
при радиоактивном распаде ядра вслед-
ствие того, что после вылета части-
цы, например а-частицы, новое ядро
может оказаться в возбужденном энер-
гетическом состоянии и этот избыток
энергии освобождается в виде у-из-
лу'чения.
Радиоактивные источники, приме-
няемые в строительстве, в зависи-
мости от энергии у-излучения, под-
разделяются на три группы: источники
с энергией около 1 МэВ (кобальт —
60) — жесткое излучение, источники с
энергией 0,3—0,7 МэВ (цезий — 137,
иридий — 192) — излучение средней
жесткости, источники с энергией менее
0,3 МэВ (тулий — 170, европий —
155) — мягкое излучение. Число после
обозначения химического элемента оп-
ределяет так называемое массовое чис-
ло, которое равно сумме числа про-
тонов и нейтронов в ядре. Более
полное обозначение изотопа осуществ-
ляется указанием при символе изотопа
трех индексов, например 27 Со60, где
нижний левый индекс указывает число
протонов, верхний левый — число ней-
тронов, верхний правый — массовое
5 5. Радиационные методы
117
число. Применяются также сокращен-
ные обозначения: 27 Со, Со60 или
кобальт — 60.
Источники у-излучения представ-
ляют собой ампулы из коррозионно-
стойкой стали или алюминиевого спла-
ва. Цилиндрический металлический
стакан, в котором помещенный изотоп
герметизируется в своей открытой
части эпоксидным клеем. В контей-
нере-хранителе осуществляется с по-
мощью манипулятора перенесение ис-
точника излучения в рабочий контей-
нер и возвращение из него в кон-
тейнер-хранилище.
На рис. 5.41 представлен общий
вид у-дефектоскопа. у-дефектоскопы
состоят из следующих основных бло-
ков: радиационной головки с источ-
ником излучения, встроенных или смен-
ных коллиматоров, оптического устрой-
ства для создания параллельных пуч-
ков, пульта управления выпуском и пе-
рекрытием пучка у-излучения, штатива
для крепления радиационной головки
относительно объекта контроля или ам-
пулопровода, транспортно-перезаряд-
ного контейнера.
Радиационные головки имеют свин-
цовую или вольфрамовую защиту,
обеспечивающую снижение мощности
дозы излучения до предельно допу-
стимых. Конструктивно головки выпол-
няются с перемещаемым и неподвиж-
ным источниками излучения. Головки
с перемещаемым источником шлан-
гового типа имеют внутри криво-
линейный канал-лабиринт, в котором
держатель источника фиксируется в
положении хранения замком. После
открытия замка источник может быть
перемещен в два рабочих положения:
к выходному окну головки или за ее
пределы по ампулопроводу.
Головки затворного типа имеют зат-
вор, дистанционно открываемый и за-
крываемый при выпуске и перекрытии
пучка излучения. Перемещение источ-
ника осуществляется ручным, электри-
ческим или пневматическим приводами,
а управление затвором — электропри-
водом. Расстояния между пультом и го-
ловкой у переносных дефектоскопов
от 3,5 до 12 м, у подвижных —
до 50 м. Пульты оборудованы цвето-
вой системой сигнализации, указыва-
ющей положение хранения источника
или положение просвечивания: положе-
нию хранения соответствует зеленый
цвет, положению просвечивания —
красный, а положению перемещения
источника по ампулопроводу (откры-
ванию или закрыванию затвора) —
желтый.
Поток тепловых нейтронов образу-
ется при ядерных реакциях, происхо-
дящих при бомбардировке мишеней
(бериллия и бора) а-частицами,
протонами, нейтронами или у-квантами
очень высокой энергии. Тепловые ней-
троны характеризуются энергией до
0,3 эВ. Проникающая способность
нейтронов практически не зависит от
плотности материала, но в большей
степени поглощается водой, эпоксидной
1 18 Глава 5 Нералрушающие методы испытания строительных конструкций
смолой и другими органическими мате-
риалами, содержащими легкие элемен-
ты (водород, литий, бор, кадмий,
медь, свинец). Поэтому поток нейтронов
эффективно используется для просве-
чивания материалов, которые не могут
быть исследованы с помощью рентге-
новского и у-излучения. Нейтронное из-
лучение эффективно используется при
контроле композитных материалов, кле-
еных соединений и при оценке влаж-
ности материалов.
В настоящее время эффективно раз-
вивающийся метод неразрушающего
контроля с использованием позитронов
применяется для определения величины
и степени пластической деформа-
ции, а также для определения на-
пряжений в материалах до появле-
ния усталостных трещин. В началь-
ной стадии усталостного разруше-
ния материала происходит образование
в нем дислокаций. В областях дисло-
кации до появления трещин накапли-
ваются отрицательные заряды. При
облучении металла позитронами, по-
следние притягиваются к дислока-
циям, где они в результате взаимо-
действия со скопившимися электронами
образуют у-излучение. Среднее время
жизни позитронов можно связать с
наличием области усталости в металле.
Рентгеновское и у-излучение при
прохождении через материал контро-
лируемого объекта теряют свою энер-
гию за счет рассеяния и преобразо-
вания в кинетическую энергию элект-
ронов. Ослабление интенсивности излу-
чения зависит от его энергии, тол-
щины и плотности просвечиваемого
материала. На рис. 5.42 схематично
показаны процессы фотоэлектрического
поглощения а, комптоновского рассея-
Рис 5 42 Схема с материалом
взаимодействия контролируемого объекта
ионизирующего излучения
ния кванта б и образования кванта
электрон-позитронной пары в. В зависи-
мости от энергии падающего кванта
и плотности просвечиваемого мате-
риала может преобладать один из этих
процессов.
Фотоэлектрический эффект — про-
цесс, при котором квант ftvo, встретив
атом, полностью передает свою энергию
орбитальному электрону. При этом
электрон е~ переходит на оболочку
с более высоким уровнем энергии или
покидает атом, если энергия его пре-
вышает энергию связи электрона в ато-
ме. Такой выбитый из атома электрон
называется фотоэлементом. Заполне-
ние электроном оболочки сопровожда-
ется характеристическим излучением.
Фотоэлектроны возбуждают и ионизи-
руют атомы и молекулы просвечи-
ваемого материала, что приводит к
образованию вторичных квантов. Вто-
ричные кванты опять преобразуются
в фотоэлектроны и третичные кванты,
и т. д. до полного поглощения энер-
гии первичного излучения.
Рассеяние квантов является про-
цессом, при котором квант, встретив
орбитальный электрон, изменяет свое
направление. Когерентное рассеяние
имеет место только при прохождении
через материал очень мягкого излу-
чения. Энергия квантов такого излу-
чения при столкновении со слабо свя-
занными электронами внешней оболоч-
ки атомов поглощающего материала
вызывает лишь вынужденные колеба-
ния их, которые при этом сами излу-
чают вторичные кванты той же длины
5.5. Радиационные методы 119
волны, что и падающее излучение.
Комптоновское рассеивание наблюдает-
ся при прохождении через материал
излучения с энергией 0,3—1 МэВ.
Падающий квант, сталкиваясь с орби-
тальным электроном, отдает часть своей
энергии электрону и отклоняется от
первоначального направления на не-
который угол ф. Энергия его hv\ меньше
энергии падающего кванта, т. е. компто-
новское рассеянное излучение имеет
большую длину волны, чем падающее
излучение. Рассеянное излучение рас-
пространяется в различных направле-
ниях по отношению к первичному.
Образование пары частиц элект-
рон-позитрон — это процесс погло-
щения квантов с энергией более
1,022 МэВ. Образовавшийся из кванта
электрон е~ и позитрон имеют
энергию 0,51 МэВ. Позитрон, замедлив-
шись, соединяется с одним из электро-
нов среды, при этом образуются два
кванта аннигиляционного излучения.
Под аннигиляцией понимается процесс
взаимодействия частицы и соответ-
ствующей ей античастицы, приводящий
к образованию электромагнитного излу-
чения.
Существуют различные методы де-
фектоскопии материалов и определения
их физико-механических свойств. Рас-
смотрим наиболее применяемые из них
в настоящее время. Радиографический
метод основан на фиксации интенсив-
ности излучения, прошедшего через ис-
следуемый объект. Для этой цели
используется рентгеновская пленка, ко-
торая после экспонирования (просве-
чивания) подвергается соответствую-
щей обработке подобно той, которой
подвергаются фотопленки. В результате
получается картина, отражающая ин-
тенсивность воздействия излучения. До-
стоинством данного метода является
то, что в руках исследователя оста-
ется объективный документ, характе-
ризующий состояние объекта в момент
просвечивания.
Ксерорадиографический метод за-
ключается в том, что результат про-
свечивания фиксируется на ксерора-
диографической или электрорадиогра-
фической пластинке, которая состоит
из алюминиевой подложки и нанесенно-
го на нее слоя фотопроводникового ма-
териала. В качестве последнего исполь-
зуется аморфный селен. Чтобы сделать
пластину чувствительной к ионизирую-
щим излучениям, поверхности селено-
вого слоя сообщают электрический за-
ряд, после чего ее, подобно рентгенов-
ской пленке, помещают в светоне-
проницаемую кассету. При просвечи-
вании элементов конструкций на по-
верхности селенового слоя образуется
скрытое электростатическое изображе-
ние. Скрытое изображение проявляют
опылением селенового слоя мелким
наэлектризованным порошком мела.
Частицы порошка, заряженные элект-
ричеством противоположного знака по
отношению к заряду пластины, прили-
пают к поверхности селенового слоя,
образуя видимое изображение просве-
чиваемого объекта. Это изображение
может быть перенесено на бумагу и
зафиксировано.
Радиоскопический метод заключает-
ся в преобразовании скрытого рентге-
новского или у-изображения просве-
чиваемого объекта в видимое световое
на экранах преобразователей ионизи-
рующего излучения и телевизионных
приемников. На практике применяются
установки визуального контроля с
непосредственным наблюдением изо-
бражений на экранах преобразователей
(флуороскопического, рентгеновских
электронно-оптических преобразовате-
лей, электронно-оптических усилителей
видимого света, электролюминесцент-
ного) .
Визуальный контроль отличается от
радиографического большей оператив-
ностью. При визуальном контроле легко
получать результаты при изменении
угла просвечивания и стерескопическое
изображение контролируемого объекта.
Недостатком рентгеноскопических ме-
тодов является снижение точности по-
лучаемых результатов по сравнению с
теми, которые получаются методами
радиографии. v
120 Глава 5 Не разрушающие методы испытания строительных конструкций
Радиометрический метод основан на
оценке изменения интенсивности пучка
излучения, прошедшего через просве-
чиваемый объект. Для измерения ин-
тенсивности пучка излучения за объек-
том используются стинцилляционные,
полупроводниковые, газоразрядные
счетчики или ионизационные камеры.
При исследовании изделий, воспри-
нимающих вращательное и колебатель-
ное движения, используются методы
строборадиографии и строборадио-
интроскопии.
С помощью радиационных методов
можно решать многие задачи, свя-
занные с изучением состояния строи-
тельных конструкций. К этим задачам
относятся: выявление дефектов при
сварке металлических конструкций, де-
фектов прокатных листов, трещин,
зазоров между заклепками и основ-
ным материалом, коррозионных пора-
жений, определение толщины защит-
ного слоя бетона, размеров и распо-
ложения арматуры в железобетонных
конструкциях, измерение напряжений,
определение объемной массы строи-
тельных материалов, выявление толщин
изделий, определение влажности стро-
ительных материалов, выявление на-
пряжений в металлах до появления
усталостных трещин.
Контроль качества сварки осуще-
ствляется радиографическим методом.
Источник излучения 1 располагается
над испытуемым швом, а кассету с
пленкой 2 — под швом. Характерные
случаи просвечивания представлены
на рис. 5.43 для листовых конструк-
ций (а — сварка в стык, б — сварка
внахлест, в — сварка таврового соеди-
нения) и рис. 5.44 — для труб. Схемы
а, б используются при диаметре труб
D> 500 мм, в, г — при D> 500 мм.
5.5. Радиационные методы 121
Рис 5 43 Схема
просвечивания сварочных
стыков листовых конструкций
Рис 5 44 Схемы
просвечивания кольцевых
сварных швов труб
Пучок излучения проходит через
шов и воздействует на пленку с интен-
сивностью, прямо пропорциональной
плотности шва в месте просвечивания.
Для оценки качества снимков и опре-
деления чувствительности радиографи-
ческого метода контроля используются
пластинчатые эталоны с канавками и
проволочные эталоны, которые распо-
лагаются в местах просвечивания. Пла-
стинчатые эталоны с канавками исполь-
зуются при просвечивании изделий с
ожидаемыми дефектами в виде газо-
вых пор, включений, раковин. Прово-
лочные эталоны используются при ра-
диографии изделий с ожидаемыми де-
фектами типа непроваров и микро-
трещин.
Дефектные участки шва характери-
зуются искажением изображения на
пленке. По степени затемнения, форме
и очертанию затемненных участков
можно выявить трещины, непровары,
газовые поры, шлаковые включения и
другие дефекты сварных соединений.
Для выявления трещин необходимо,
чтобы направление излучения совпада-
ло с направлением трещин. Непровары
в сварных соединениях могут выявлять-
ся при просвечивании изделий перпен-
дикулярно шву, а также под углом 45°.
Газовые поры и шлаковые включения
в сварных швах выявляются при на-
правлении лучей перпендикулярно шву.
Газовые и шлаковые включения, не-
провары, трещины и другие дефекты
могут обнаруживаться либо в виде от-
дельных дефектов, цепочки дефектов,
если их будет более трех и они будут
расположены по одной линии, либо скоп-
ления дефектов, если будет обнаружено
их кучное расположение. Расшифровка
обнаруженных дефектов на пленке тре-
бует определенных навыков от исследо-
вателя. Основные виды дефектов на
пленке выглядят следующим образом.
Газовые поры представляют собой
круглые темные пятна, иногда вытяну-
той формы с очерченным контуром.
В зависимости от направления излуче-
ния по отношению к дефекту черные
пятна на пленке могут быть с полутеня-
ми или волнообразной формы. Шлако-
вые включения образуют на пленке
темные участки, имеющие обычно не-
правильную форму с неровными грани-
цами и оборванными краями. Непровар
шва на снимке проявляется как непре-
рывная или прерывистая темная полоса.
При большом расстоянии между двумя
свариваемыми изделиями непровар на
пленке изображается в виде двух парал-
лельных, близко лежащих друг к другу
линий. Трещины на пленке представля-
ются в виде темных узких линий, шири-
на которых определяется шириной тре-
щины. При совпадении направления
пучка излучения с направлением трещи-
ны изображение последней достигает
наибольшей резкости.
Допустимость тех или иных дефек-
тов, а также их комбинаций, а также
объем контроля устанавливается нор-
мами и техническими условиями на из-
готовление и монтаж конструкций. При
обнаружении в сварных швах недопу-
стимых дефектов швы бракуются и под-
лежат исправлению.
122 Глава 5. Не разрушающие методы испытания строительных конструкций
Оценка однородности материалов и
выявление в них дефектов осуществля-
ется аналогично дефектоскопии свар-
ных соединений. Дефектные места ма-
териала (трещины, раковины, каверны
и т. п.) будут меньше ослаблять поток
излучения по сравнению с бездефект-
ными участками. Наличие более плот-
ных включений приводит к ослаблению
интенсивности излучения. При дефекто-
скопии неоднородных материалов, в
частности бетона, следует иметь в виду,
что он по своей структуре неодно-
роден, поэтому различные дефекты
бетона приходится выявлять на фоне
его естественной неоднородной структу-
ры, которой обладают различные объе-
мы бетона даже при отсутствии дефек-
тов. В связи с отмеченным, в бетонных
конструкциях удается выявлять такие
дефекты, которые в два-три раза бо-
лее характерного размера крупного
заполнителя и составляют 5—8% от
толщины просвечиваемой конструкции.
Дефекты бетона в виде трещин вы-
являются в том случае, если направ-
ление просвечивания не отклоняется от
направления распространения трещин
на угол более 5°. Величина фикси-
руемого сигнала зависит от ширины и
глубины раскрытия трещин. При извест-
ной ширине раскрытия поверхностных
трещин можно достаточно точно опре-
делить глубину их распространения.
Просвечивание пластмасс также по-
зволяет выявлять внутренние дефекты
в виде трещин, раковин и т. п. Дефекты
древесины (сучки, трещины) также
выявляются при просвечивании, кроме
Рис 5 45 Способы Рис 5 46 Определение
дефектоскопии глубины расположения
дефекта и его протяженности
того, могут быть выявлены места
загнивания древесины в конструкциях.
При использовании радиационных
излучений возможны два способа
просвечивания: сквозной (рис. 5.45, а),
когда возможен двухсторонний доступ к
конструкции, и односторонний
(рис. 5.45, б), построенный на реги-
страции интенсивности излучения, рас-
сеянного материалом. Здесь 1 — источ-
ник излучения, 2 — детектор излучения,
3 — регистрирующий прибор.
При двухстороннем просвечивании
(рис. 5.46) глубина расположения де-
фекта 1 может быть определена при
просвечивании с двумя положениями
источника 2, причем из элементарных
рассуждений получаем
x=cF/(c+c'),
5 ? мг/<л)ы
123
20мм
И)
конструкциях (рис 5.47, и). На
рис. 5.47, б (1 — нс10<шик, 2 - де-
тектор; 3 — регистрирующий прибор)
представлена картина, полученная при
Рис 5.47. Обнаружение
арматуры в бетоне
Рис 5.4И. Определение •
диаметра арматуры и то г щи
ны защитного слоя
что позволяет найти и размер дефекта
по размеру отпечатка на пластинке 3
d — D(F—x)/F.
Аналогично осуществляется обна-
ружение арматуры в железобетонных
перемещении источника излучения по
поверхности плиты при разных диа-
метрах арматуры, расположенной в
толще бетона. При просвечивании же-
лезобетонных плит толщиной до 400 мм
хорошо выявляется арматура диамет-
ром свыше 10 мм.
На рис. 5.48 представлена схема
просвечивания при двух положениях
источника /, позволяющая определить
диаметр d арматуры 2 и толщину
защитного слоя b по характерным
размерам отпечатка
d —d'c/{c 4~<7z); b — Fc/(c j-c')-d/2.
По характеру поверхности арматуры
на снимке 3 можно вынести суждение
о классе арматуры (гладкий стер-
жень или стержень периодического
профиля).
Определение плотности строитель-
ных материалов в изделиях и конструк-
циях возможно путем сквозного про-
свечивания и при одностороннем досту-
пе к конструкции. В первом случае
возможны два способа. Один из них
заключается (рис. 5.49) в просвечи-
вании толщи материала г узким пучком
124 Глава 5 Не разрушающие методы испытания строительных конструкций
излучения, для чего используется спе-
циальное устройство — коллиматор 2,
с помощью которого достигается соос-
ность источника излучения 1 и де-
тектора 4. Ослабление интенсивности
излучения в этом случае определяется
выражением / = /ое~Ц()рг, где J— ин-
тенсивность пучка после прохождения
материала, определяемая по измери-
тельному прибору 3, Jo — интенсивность
излучения до среды, г — известная тол-
щина материала, ц0 — массовый коэф-
фициент поглощения, известный для
каждого материала, р — плотность ма-
териала в г-см-3. Логарифмируя при-
веденное выражение, получим
p=(lnJo-lnJ)/|ior. (5.5)
В производственных условиях про-
свечивание происходит широким пучком
без использования коллиматора. В этом
случае ослабление интенсивности опре-
деляется выражением / = /ое-ио₽гВ, где
В — фактор накопления, характеризую-
щий поток вторичного, излучения за про-
свечиваемым материалом толщиной г.
Значение В зависит от энергии источ-
ника и условий просвечивания.
При одностороннем доступе к кон-
струкции (рис. 5.50) измеряется интен-
сивность рассеянного излучения. Из-
мерение плотности материала этим
способом возможно тогда, когда тол-
щина изделия превышает так назы-
ваемый слой насыщения для данного
материала. При использовании в каче-
стве источника 1 у-излучения кобаль-
та-60 для тяжелого бетона толщина
слоя насыщения равна примерно 25 см.
Между источником и детектором 3
располагается разделительный экран 2.
Сигнал от детектора передается на из-
мерительный прибор 4. При исполь-
зовании низкоэнергетических источни-
ков излучения снижается значение тол-
щины слоя насыщения.
При определении плотности бетона
в процессе формирования изделий
используется специальная аппаратура,
в которой сохраняется постоянство
расстояния между источником излу-
чения и детектором.
Рис. 5.49. Измерение
плотности с помощью
узкого пучка излучения
Рис 5.50 Измерение
плотности при
одностороннем доступе
к конструкции
Определение толщин изделий ос-
новано на использовании формулы
(5.5), записанной в виде
г=(1п/о —1п/)/цор.
При определении толщины изделия не-
обходимо предварительно определить
плотность материала, применяя для
этой цели взвешивание некоторого
объема материала. При одностороннем
просвечивании предварительно необхо-
димо построить градуировочную кри-
вую: толщина изделия — интенсивность
излучения.
Влажность строительных материа-
лов определяется при помощи быстрых
нейтронов. В процессе упругого рас-
сеяния быстрые нейтроны замедляются
до тепловых с энергией 0,025 эВ.
Замедление быстрых нейтронов идет
наиболее эффективно на ядрах атомов
легких элементов, у которых масса
ядра близка к массе нейтрона. Из числа
химических элементов, входящих в сос-
тав строительных материалов, водород
является наиболее эффективным замед-
лителем быстрых нейтронов.
Для измерения влажности мате-
риала в изделиях и конструкциях
5.6 Магнитные и электрические методы
125
Рис. 5 51. Схема измерений
влажности материала
нейтронным методом
могут использоваться схемы, приведен-
ные на рис. 5.51. На схеме а пред-
ставлен случай при двухстороннем до-
ступе к конструкции, б — при односто-
роннем доступе ив — внутри материа-
ла; 1 — источник быстрых нейтронов,
2 — детектор, 3 — измерительный при-
бор. В качестве быстрых нейтронов
при измерении влажности строительных
материалов используются полониево-
бериллиевые источники. Регистрация
медленных нейтронов производится га-
зоразрядными или сцинтилляционны-
ми детекторами. Определение влаж-
ности осуществляется по предваритель-
но построенной градуировочной кривой:
объемная влажность — интенсивность
импульсов.
Все работы с использованием ра-
диоактивных веществ и источников
ионизирующих излучений регламенти-
руются соответствующими норматив-
ными документами. Используемые при
работе радиоактивные вещества делят-
ся на открытые и закрытые. К открытым
относятся порошки, жидкости и т. п.
вещества, при использовании которых
возможно попадание радиоактивных ве-
ществ в окружающую среду. Все работы
с открытыми веществами должны про-
водиться в специально оборудованных
лабораториях. При работе с закрытыми
веществами, помещенными в защитные
герметизованные металлические ампу-
лы, предъявляются требования по
обеспечению защиты от излучения.
Эксплуатация промышленных при-
боров с источниками излучения должна
проводиться в строгом соответствии с
прилагаемыми к ним инструкциями.
Для постоянного контроля за состоя-
нием радиоизотопных приборов адми-
нистрация предприятия должна выде-
лить и утвердить приказом лицо,
ответственное за соблюдением инструк-
ций по их эксплуатации.
Санитарные правила предусматри-
вают, что к работе с источниками
излучения допускаются лица в возрасте
не моложе 18 лет, предварительно
прошедшие медицинский осмотр. Все
работающие с радиоактивными веще-
ствами должны подвергаться периоди-
ческому медицинскому осмотру и про-
ходить проверку знаний по безопас-
ным методам работы, защитным при-
способлениям и правилам личной ги-
гиены.
При всех работах с радиоактив-
ными веществами и источниками иони-
зирующих излучений, независимо от их
количества, должен осуществляться ра-
диометрический контроль. Установлены
предельные дозы облучения персонала и
отдельных лиц из населения.
5.6. Магнитные
и электромагнитные методы
Магнитные методы контроля
основаны на регистрации магнитных
полей рассеяния, возникающих над де-
126 Глава 5 Не разрушающие методы испытания строительных конструкций
фектами, или на определении магнит-
ных свойств контролируемых изделий.
Магнитные методы контроля можно
классифицировать по способам реги-
страции магнитных полей рассеяния или
определения магнитных свойств контро-
лируемых изделий. В соответствии с
отмеченным можно выделить следую-
щие методы: магнитопорошковый, маг-
нитографический, феррозондовый, пре-
образователя Холла, индукционный и
пондеромоторный.
Магнитопорошковый метод является
одним из самых распространенных ме-
тодов обнаружения дефектов типа на-
рушения сплошности металла. Для
намагничивания ферромагнитных мате-
риалов при магнитном контроле исполь-
зуются магнитные поля, возникающие
(рис. 5.52) в пространстве вокруг
проводника а с током i, между
полюсами постоянного магнита б или
соленоида в.
Контролируемая ферромагнитная
деталь состоит из очень малых само-
произвольно намагниченных областей,
так называемых доменов. В размагни-
ченной детали магнитные поля доменов
направлены произвольным образом и
компенсируют друг друга. Суммар-
ное магнитное поле доменов в этом
случае равно нулю. Если контролиру-
емая деталь помещена в намагничи-
вающее поле, то под его влиянием
поля отдельных доменов устанавли-
ваются по направлению внешнего поля,
в результате чего образуется резуль-
тирующее магнитное поле доменов, и
деталь намагничивается.
Магнитопорошковый метод приме-
ним только для контроля деталей из
ферромагнитных материалов. Этот ме-
тод позволяет выявлять дефекты без
разрушения изделий: неметаллические
и шлаковые включения, пустоты, рас-
слоения, дефекты сварки и трещины.
Магнитный поток в бездефектной
зоне не меняет своего направления.
Если же на пути магнитного потока
(рис. 5.53) встречаются участки с по-
ниженной магнитной проницаемостью
из-за открытого а или скрытого б
дефектов, то часть магнитных линий
выходит из детали. Там где они выходят
из детали и входят в нее, возникают
местные магнитные полюса Ny S и
магнитное поле над дефектом. После
снятия намагничивающего поля магнит-
ное поле над дефектом и местные
полюса остаются из-за наличия оста-
точной индукции.
Для обнаружения магнитных полей
над дефектами на контролируемые
участки изделия наносят ферромагнит-
ные частицы либо в сухом виде, либо
во взвешенном состоянии в воде,
керосине, минеральном масле. Частицы
в области поля дефекта намагничи-
ваются и притягиваются друг к другу,
образуя цепочечные структуры, ориен-
тированные по магнитным силовым
линиям поля. В результате над дефек-
тами происходит накопление частиц в
виде полосок, валиков, жилок, шнуров.
Ширина полоски из осевшего порошка
значительно больше ширины трещины,
^^боэтому магнитопорошковым методом
могут быть выявлены мельчайшие
трещины и другие дефекты. Магнито-
порошковый метод позволяет выявлять
трещины с шириной раскрытия
0,001 мм, глубиной 0,01 мм и более.
В качестве ферромагнитных порош-
ков используются измельченные части-
цы* ферромагнитных металлов, причем
цвет порошка подбирают так, чтобы он
контрастировал с цветом материала
испытуемого изделия. В частности,
черный порошок представляет собой из-
мельченную окись-закись железа. Буро-
вато-красным цветом характеризуется
гамма-окись железа, светлый порошок
изготовляется из смеси никелевого
порошка и алюминиевой пудры. Эф-
фективным является применение маг-
нитно-люминесцентных порошков и
паст.
Каждый тип дефекта характеризует-
ся соответствующей картиной осажде-
ния порошка. Внешние трещины при-
водят к четкому образованию сосре-
доточения порошка вдоль краев тре-
щин. Внутренние трещины инициируют
размытые полосы, ориентированные
5 b Магнитные и * иктрические меюды
127
Рис 5 52. Создание
магнитных полей
Рис 5 53. Схема образования
магнитного поля над
дефектом
Рис. 5 54. шиа с использованием
Магнитографический магнитной ленты
метод контроля сварочного
вдоль них. Неметаллические включения
выявляются в виде цепочек или точеч-
ных включений и т. д.
После магнитопорошкового контро-
ля необходимо провести размагничи-
вание исследуемого объекта. При раз-
магничивании изделие циклически пе-
ремагничивают магнитным полем, на-
пряженность которого периодически из-
меняют по направлению и уменьшают
по амплитуде от некоторого значения
до нуля.
Магнитографический метод контро-
ля (рис. 5.54) заключается в записи
магнитных полей рассеяния над де-
фектом 4 на магнитную ленту 5
путем намагничивания электромагни-
том 1 контролируемого участка детали
2 вместе с прижатой к его поверх-
ности магнитной лептой с последующим
воспроизведением и расшифровкой по-
лученной записи. Этот метод в основ-
ном применяется для проверки сплош-
ности сварных швов 3 различных со-
оружений, изготовленных из ферромаг-
нитных сталей с толщиной стенки до
18 мм. Для воспроизведения записи
используют магнитные кольцевые го-
ловки. По величине и форме кривой
ЭДС, наблюдаемой на экране электрон-
но-лучевой трубки, судят о наличии и
характере дефектов.
Феррозондовый метод основан на
преобразовании градиента или напря-
женности магнитного поля в электри-
ческий сигнал.
Метод, основанный на эффекте Хол-
ла, используют для обнаружения дефек-
тов и в приборах для измерения тол-
щины, контроля структуры и механи-
ческих свойств. Эффект Холла заклю-
чается в том, что если прямоуголь-
ную пластинку из полупроводникового
материала (германия, антимонита, ар-
сенида индия) поместить в магнитное
поле перпендикулярно вектору напря-
женности и пропускать по ней ток в
направлении двух противоположных
граней, то на двух других гранях
возникнет ЭДС, пропорциональная на-
пряженности магнитного поля. Размеры
кристаллических датчиков Холла опре-
деляются площадью 0,7 X 0,7 мм2 при
толщине порядка 1 мм.
Индукционный метод основан на
том, что выявление полей рассеяния
в намагниченном контролируемом ме-
талле осуществляется с помощью
128 Глава 5. Не разрушающие методы испытания строительных конструкций
катушки с сердечником, которая пи-
тается переменным током и является
элементом мостовой схемы. Катушка
устанавливается между полюсами
электромагнита. Потоки рассеяния от
обнаруженного дефекта возбуждают
ЭДС, которая усиливается, преобразо-
вывается в звуковые сигналы или
подается на самопишущее или ос-
циллографическое устройство. Индук-
ционный метод используется для выяв-
ления трещин, непроваров, включений
при контроле сварных швов.
Пондеромоторный метод основан на
взаимодействии измеряемого магнитно-
го поля и магнитного поля тока
в рамке прибора или магнита. Этот
метод применяется при дефектоскопии
железнодорожных рельс.
Магнитный метод применим для
определения толщины немагнитных
покрытий на ферромагнитной основе
или в случае резкого различия магнит-
ных свойств покрытия и основы. Для ое-
шения отмеченной задачи применяются
приборы с постоянными магнитами и
электромагнитами, действие которых
основано на измерении силы отры-
ва датчика от поверхности контро-
лируемого объекта с помощью пружин-
ных динамометров либо по изменению
тока намагничивания. Возможно ис-
пользование приборов, основанных на
регистрации изменения магнитного со-
противления контролируемого участка.
Магнитным методом могут быть оп-
ределены толщины элементов конструк-
ций из неферромагнитных материалрв,
если возможен одновременный доступ
к соответствующим точкам поверхнос-
тей (рис. 5.55). С одной стороны про-
веряемой конструкции 1 установлен
постоянней магнит 6. С другой сто-
роны в корпусе 4 помещен идентичный
постоянный магнит 5. Между ними
располагается феррозонд 3. Положение
магнита в корпусе регулируется так,
чтобы при заданной толщине стенки
ток от обоих феррозондов был равен
нулю. Шкала измерительного прибора
2 отградуирована в соответствии с
толщиной преграды.
толщиномера немагнитных
материалов
Магнитные методы позволяют вы-
являть напряженное состояние элемен-
тов конструкций из ферромагнитных
материалов. Одно из направлений свя-
зано с возникновением магнитной ани-
зотропии под действием приложенных
к объекту нагрузок. На этом прин-
ципе работает прибор конструкции
Н. Н. Максимова. Прибор состоит из
центральной питающей катушки с сер-
дечником. Четыре периферийные катуш-
ки по диагонали попарно связаны меж-
ду собой, причем эта связь может быть
скоммутирована на определение суммы
или разности возбуждаемых ЭДС.
Вращение прибора относительно цент-
ральной оси позволяет оценить на-
пряженное состояние в элементе.
Перспективным является метод маг-
нитных меток. На элемент до его
деформирования внешним магнитным
полем нанрсятся метки, расположенные
на некотором расстоянии друг от
друга. По изменению расстояния между
метками можно вынести суждение о
деформации элементов, а затем перейти
к оценкё напряжений.
Еще один метод основан на исполь-
зовании магнитострикционных свойств
материалов, т. е. на зависимости
изменения магнитной проницаемости от
напряжений, создаваемых в ферро- и
ферромагнитных материалах.
Магнитные методы эффективно при-
меняются для определения толщины
защитного слоя и диаметра арматуры
в железобетонных конструкциях. Маг-
нитометрический прибор состоит из
двух постоянных магнитов, создающих
5.6. Магнитные и электрические методы
129
5 56 Схема определения
щины защитного слоя
Рис 5 57 Блок-схема
преобразователя для
определения толщины
защитного слоя бетона и
диаметра арматуры
постоянное магнитное поле (рис. 5.56).
Посередине между двумя магнитами
располагают небольшой подковообраз-
ный магнит /, соединенный со стрел-
кой-указателем. При отсутствии ар-
матуры а подковообразный магнит
под действием магнитных полей парал-
лельных постоянных магнитов находит-
ся в нейтральном положении. При приб-
лижении прибора к арматуре б напря-
женность магнитного поля изменяется,
и подковообразный магнит перемеща-
ется по направлению к арматуре 2.
Экстремум отклонения указателя при
смещении прибора по поверхности бе-
тона указывает на расположение ар-
матуры, а отклонение стрелки опреде-
ляет толщину защитного слоя.
5 Зак 130
Преобразователь индукционного ти-
па позволяет определить как толщину
защитного слоя, так и диаметр арма-
туры. Принципиальная схема преобра-
зователя представлена на рис. 5.57.
От блока питания 5 напряжение
подается на двухтактный автогенератор
6. Сигнал от чувствительного элемента
1 подается на усилитель 7, Читаемый
блоком 2, а затем — на детектор 4.
Чувствительный элемент /, представ-
ляющий собой индуктивный преобразо-
ватель, передвигают по поверхности
исследуемой железобетонной конструк-
ции. Отдельно от него в корпусе
прибора помещен аналогичный преоб-
разователь с ферромагнитным смеща-
емым элементом, предназначенным для
изменения индуктивного сопротивления
при балансировке схемы. По мере приб-
лижения чувствительного элемента к
арматурному стержню разбаланс, зави-
сящий от толщины защитного слоя,
диаметра стержня и ориентировки пре-
образователя по отношению к направ-
лению стержня, будет уменьшаться.
Шкала отсчетного устройства измери-
тельного прибора 3 проградуирована
в зависимости от толщины защитного
слоя для арматуры разного диаметра.
После выявления расположения ар-
матурных стержней следует чувстви-
тельный элемент расположить так, что-
бы он находился на участке между точ-
130 Глава 5. Неразрушающие методы испытания строительных конструкций
ками пересечения арматуры. После это-
го следует записать толщины защитного
слоя по шкалам, соответствующим раз-
личным диаметрам и повторить опыт,
поместив между бетоном и чувстви-
тельным элементом прокладку толщи-
ной порядка 10 мм из оргстекла,
дерева или другого диамагнитика. Ди-
аметр арматуры будет соответствовать
той из шкал, разность отсчетов по
которой будет соответствовать 10 мм.
Имеются и другие приборы, по-
строенные на системе двух индуктивных
датчиков, представляющих собой тран-
сформаторы с разомкнутой цепью.
При использовании магнитных ме-
тодов следует соблюдать правила тех-
ники безопасности, связанные с исполь-
зованием источников напряжения. Все
приборы должны быть тщательно за-
землены и занулены. Следует отметить,
что источники с напряжением около
24В могут быть опасными для
организма человека. Вблизи приборов
запрещается хранить легко воспла-
меняющиеся вещества. При работе с
магнитными порошками для защиты
рук следует применять биологические
перчатки. Подробно все необходимые
требования оговорены в соответствую-
щих инструктивных материалах.
5.7. Электрические
методы испытаний
Электрические методы измере-
ния неэлектрических величин получили
широкое распространение при контроле
и определении физико-механических ха-
рактеристик строительных материалов,
изделий и конструкций. По замерен-
ному электрическому сопротивлению
можно судить о влажности древесины
в конструкциях, для чего используются
градуировочные зависимости между
электропроводимостью и влажностью
для данного сорта древесины. Измере-
ния производятся с помощью иголь-
чатых электродов, заглубляемых в дре-
I весину на 5—10 мм, что характе-
ризует электросопротивление ее поверх-
ностного слоя. Для элементов, эксплу-
атируемых в течение длительного вре-
мени при постоянном температурно-
влажностном режиме, по этим данным
можно судить о влажности по всей
толщине сечения элементов. Широкое
распространение электрические методы
получили при определении влажности
заполнителей, бетонной смеси, затвер-
девшего бетона.
Электрический метод, используемый
для определения влажности песка, осно-
ван на существовании связи между
влажностью песка и его электропро-
водимостью или электросопротивле-
нием. Этот метод может быть применен
для приближенного определения влаж-
ности в связи с тем, что на величину
электропроводимости песка оказывает
влияние не только содержание влаги,
но и наличие примесей в песке,
химический состав воды, пористость
песка.
Более точными являются* методы
определения влажности, основанные на
термоэлектрических и диэлектрических
эффектах. Термоэлектрический метод
основан на функциональной связи теп-
лопроводности песка с его влажностью.
Диэлектрический метод основан на из-
мерении электроемкости конденсатора,
между пластинками которого помеща-
ется проба песка различной влажности.
Для определения содержания воды
в бетонной смеси используется электри-
ческий метод. Прибор состоит из двух
электродов и вибратора. Для опреде-
ления содержания воды коробку с
электродами и вибратором частично
погружают в исследуемую бетонную
смесь и включают ток. Под дей-
ствием колебаний, возбуждаемых виб-
ратором, вокруг электродов начинается
образование жидкого цементного теста
Величина силы tok^iпроходящего через
цементное тесто, служит показателем
количества содержащейся в бетонной
смеси воды. Электрические методы мо-
гут служить для автоматического конт-
роля подвижности бетонной смеси -
5.7. Электрические методы испытаний
131
WWWWWW
Рис 5.58 Датчики вихревых
токов
процессе ее приготовления. В этом
случае по величине мощности, затра-
чиваемой двигателем на преодоление
вязкого сопротивления датчика, погру-
женного в бетонную смесь, судят о ее
подвижности.
В дефектоскопии материалов на-
ибольшее применение получили следу-
ющие электрические методы: электро-
статический, термоэлектрический и
электро инду кти в ный.
Электростатический метод основан
на взаимодействии мелких частиц с
электростатическим полем — полем не-
подвижных электрических зарядов. Ме-
тод используется для обнаружения
поверхностных трещин в элементах,
помещенных в электростатическое поле.
Поверхность элемента опыляется тон-
ким порошком мела. В результате
неоднородности электростатического
поля частицы мела скапливаются у кра-
ев трещин.
Термоэлектрический метод основан
на измерении электродвижущей силы,
возникающей в замкнутой цепи при
нагреве места контакта двух разно-
родных материалов. Если один из этих
материалов принять за эталон, то при
заданной разности температур горячего
и холодного контактов величина и знак
термоэдс будут определяться хими-
ческим составом второго материала.
Этот метод обычно применяют при
определении марки материала полу-
фабриката или конструкции.
Электроиндуктивный метод основан
на возбуждении вихревых токов пе-
ременным магнитным полем датчика.
Этот метод применяется для выяв-
ления и оценки размеров и вида
дефектов сплошности, контроля и из-
мерения физико-механических свойств
и марок материала, измерения раз-
меров деталей и покрытий, измерения
5*
132
Глава 5 Неразрушающие методы испытания строительных конструкций
параметров вибраций и перемещений
элементов конструкций. Возбудителем
вихревых токов может быть поле дви-
жущего магнита, переменное поле тока
в проводе, волна радиоизлучения. Са-
мым распространенным в методе вих-
ревых токов датчиком является ка-
тушка индуктивности с переменным
током или комбинация нескольких ка-
тушек. На рис. 5.58 представлены
некоторые схемы применения датчиков
вихревых токов. В двухкатушечном
датчике а возбуждающая 1 и измери-
тельная 2 обмотки совмещены на одной
катушке, возможно также расположе-
ние обмоток на разных катушках.
Применяются параметрические датчики
б — г, в которых сигналом служит
приращение комплексного сопротивле-
ния, и трансформаторные д, е, в ко-
торых сигналом служит приращение
комплексного напряжения (ЭДС), воз-
никающее в одной или нескольких
обмотках. По способу расположения
датчика и контролируемого объекта
датчики могут быть накладными б, е,
проходными в, г и щелевыми д.
Накладными датчиками контролируют
поверхность любых элементов, внешни-
ми проходными в датчиками контро-
лируют прутки, проволоки, профили
и т. п., внутренними проходными г —
трубы.
Контроль вихревыми токами может
осуществляться в отраженном
(рис. 5.59, а) и проходящем поле
(рис. 5.59, б). Для анализа резуль-
татов испытаний используются постро-
енные зависимости (годографы) сигна-
лов накладных и проходных датчиков
при изменении параметра 0О и зазоров
между датчиком и испытуемой кон-
струкцией. Обобщенный параметр 00 =
Рис 5 59 Схемы контроля
в поле вихревых токов
= D<pJf(JiLo, где D3 — диаметр эквива-
лентного контура вихревых токов в
м, f — частота возбуждения вихревых
токов в Гц, о — удельная электри-
ческая проводимость материала в
См«м-1, цо — магнитная проницае-
мость вакуума, равная |ыо = 4л-1О~7
Гн-м-1.
Зависимость вихревых токов от
электропроводности, оценка которой
производится по изменению сигнала
датчика в зависимости от обобщенного
параметра р0, позволяет с высокой
точностью по показаниям приборов
определять значения электропровод-
ности и ее изменения. Для коли-
чественного измерения электропровод-
ности или определения свойств мате-
риала, однозначно связанных с нею,
применяются испытатели электропро-
водности. С помощью этих приборов
осуществляется контроль количества
примесей и химического состава, сорти-
ровка^материалов по маркам, контроль
качества термообработки, контроль
изделий из ферромагнитных материалов
большой толщины, контроль размеров
толщин, выявление несплошностей ма-
териала.
5.8. Радиодефектоскопия
и инфракрасная дефектоскопия
Радиодефектоскопия основана
на проникающих свойствах радиоволн
сантиметрового и миллиметрового диа-
пазонов. С помощью этого метода об-
наруживаются поверхностные дефекты,
состоящие из неметаллических материа-
лов. От генератора, работающего в не-
5.8 Радиодефектоскопия и инфракрасная дефектоскопия 133
прерывном или импульсном режиме,
радиоволны проникают в конструкцию
и с помощью усилителя регистрируются
приемным устройством. С помощью
радиоволнового метода представляется
возможность определения влажности
материалов.
Использование инфракрасной техни-
ки для диагностики состояния кон-
струкций, зданий и сооружений осно-
вано на использовании инфракрасного
излучения. Инфракрасное излучение
является электромагнитным излуче-
нием, занимающим спектральную об-
ласть между красным концом види-
мого спектра с длиной волны Х =
= 0,74 мкм и коротковолновым радио-
излучением с длинами волн 1= 1—2 мм.
Инфракрасное излучение исполь-
зуется для обнаружения непрозрачных
для видимого света включений. Инфра-
красное изображение дефекта можно
получать в проходящем, отраженном
и собственном излучении исследуе-
мого объекта. Нагретые твердые тела
испускают непрерывный инфракрасный
спектр. При низких температурах
(ниже 600 °C) излучение нагретого
твердого тела почти целиком распо-
ложено в инфракрасной области. При
повышении температуры доля излуче-
ния в видимой области увеличивается
и тело вначале кажется темно-красным,
затем красным, затем желтым и, нако-
нец, при высоких температурах — бе-
лым. Многие вещества, прозрачные в
видимой области, оказываются непро-
зрачными в некоторых областях инфра-
красного излучения и наоборот. Так,
слой воды в несколько сантиметров
непрозрачен для инфракрасного излу-
чения, пластинки германия и крем-
ния, непрозрачные в видимой об-
ласти, прозрачны в инфракрасной.
У большинства материалов, отража-
тельная способность для инфракрасного
излучения значительно больше, чем для
видимого света.
Мощным источником инфракрасного
излучения является солнце, около
50% излучения которого лежит в ин-
фракрасной области. Значительная до-
ля (от 70 до 80%) энергии излу-
чения ламп накаливания с вольфра-
мовой нитью приходится на инфра-
красное излучение. Излучение некото-
рых квантовых генераторов — лазеров
также лежит в инфракрасной об-
ласти спектра.
Приемники инфракрасного излуче-
ния основаны на преобразовании энер-
нии инфракрасного излучения в дру-
гие виды энергии, которые могут быть
измерены обычными методами. В тепло-
вых приемниках инфракрасного излу-
чения регистрируется повышение темпе-
ратуры термочувствительного элемента.
В фотоэлектрических приемниках по-
глощенное инфракрасное излучение
приводит к появлению или изменению
электрического тока или напряжения.
Фотоэлектрические приемники облада-
ют селективными свойствами, т. е.
являются чувствительными лишь в оп-
ределенной области спектра. На спе-
циальных фотопленках и пластинках
в инфракрасном излучении могут быть
получены фотографии.
Отмеченное свойство позволяет опе-
ративно дистанционно анализировать
качество ограждающих конструкций
зданий и сооружений.
Для преобразования инфракрасного
излучения в видимое используются так
называемые тепловизоры или термо-
визионы. В этих приборах воспроиз-
водится разность температур на по-
верхности предмета визуально. Прибор
производит развертку поля зрения
и передает инфракрасные излучения на
детектор, который преобразует инфра-
красный сигнал в электрический. После
усиления этого сигнал регулирует
интенсивность пучка в трубке телеви-
зионного устройства. Пучок разверты-
вается на экране и дает изображение,
наблюдаемое с помощью прибора. На
экране возникает тепловая картина:
более светлые участки соответствуют
поверхностям предмета с более высо-
кими температурами. Тепловизоры поз-
воляют оценить качество заделки швов.
Глава 6
ОБСЛЕДОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ
И СООРУЖЕНИЙ
6. 1. Цели, задачи,
особенности методики
проведения натурных
обследований
Натурное обследование пред-
ставляет собой комплекс мероприятий,
позволяющих дать общую объективную
оценку технического состояния конст-
рукций, зданий и сооружений. В резуль-
тате обследования дается заключение
о пригодности конструкции к эксплуа-
тации или о необходимости проведения
ремонта, разрабатываются мероприя-
тия по усилению конструкций.
Обследование конструкций произ-
водственных зданий и сооружений
производится при приемке их в эксплуа-
тацию или экспертизах. В результате
экспертизы решается вопрос о капи-
тальном ремонте объекта, его рекон-
струкции или фиксируется аварийное
состояние сооружения, когда дальней-
шая его эксплуатация должна быть
прекращена.
Обследование сооружений выпол-
няется в два этапа. На первом этапе,
который можно назвать освидетель-
ствованием сооружения, собирается ин-
формация о действительных значениях
геометрических параметров конструк-
ций, прочностных и деформативных
характеристиках строительных матери-
алов, дефектах, отклонениях от проекта.
Обследование сооружений на первом
этапе работы складывается из следу-
ющих операций: осмотра объекта и изу-
чения документации;инструментальных
измерений геометрических и физических
параметров конструкций; перерасчета и
составления заключения по результа-
там обследования. На основании дан-
ных перерасчета решается вопрос о
необходимости проведения натурных
испытаний или дается оценка объекта
по результатам только первого этапа
обследования.
Второй этап — натурные испытания
конструкций — позволяет получить до-
полнительную информацию о действи-
тельных граничных условиях, об осо-
бенностях деформирования конструк-
ции, о напряжениях в ней. Естественно,
что при испытаниях пробной нагрузкой
конструкция не доводится до разруше-
ния, однако при этом может быть полу-
чена предварительная информация о
прочностных свойствах материала кон-
струкции. Разрушение любого строи-
тельного материала является длитель-
ным процессом, который начинается для
некоторых материалов (бетон, кирпич)
при нагрузках в 10 раз меньших пре-
дельных разрушающих. Характерные
стадии процесса разрушения могут
быть обнаружены, если при проведении
натурных испытаний будут использова-
ны новые современные методы, напри-
мер, такие как измерение с помощью
малобазных тензорезисторов деформа-
ций в устье опасной для конструкции
трещины, или метод акустической эмис-
сии, регистрирующей шумы, которыми
всегда сопровождается процесс мик-
роразрушенцй в строительном мате-
риале.
Таким образом, проведение натур-
ных испытаний на втором этапе обсле-
дования сооружения позволяет дать
более точную оценку несущей способ-
ности конструкций. Однако следует
учитывать, что натурные испытания —
мероприятие дорогостоящее, они тре-
буют выделения специальных проме-
жутков времени — технологических
окон, которые в эксплуатируемых
6.2. Осмотр объекта, изучение документации
135
зданиях связаны с (Установкой произ-
водства. Поэтому, если есть возмож-
ность дать рекомендации на базе
информации, полученной на первом
этапе обследования, то натурные испы-
тания проводить не следует.
После обследования сооружения
составляется заключение. В заключении
по результатам обследования дается
общая характеристика объекта, прово-
дится перерасчет, определяются дей-
ствительные коэффициенты запаса по
несущей способности, деформациям и
по опасности возникновения недопусти-
мых трещин. Заключение должно завер-
шаться выводами о пригодности объек-
та к эксплуатации (под расчетную наг-
рузку, с ограничением нагрузки, после
усиления) и прогнозом работоспособно-
сти сооружения на заданный срок
службы.
В отдельную группу следует выде-
лить обследования, для которых оценка
состояния конструкций не является
главной задачей. Эти обследования про-
водятся для группы конструкций с
целью совершенствования методики
расчета сооружений на надежность и
долговечность и решают две задачи:
исследование статистических парамет-
ров реальных нагрузок и установление
степени агрессивности внешней среды;
определение физического износа одно-
типных конструкций и установление
действительных распределений вероят-
ности безотказной работы этих элемен-
тов.
Необходимо отметить, что составле-
ние обобщенных конкретных рекоменда-
ций на все случаи проведения обсле-
дования вряд ли возможно, так как ве-
лико разнообразие объектов исследова-
ния, причин отказов конструкций и кон-
кретных условий проведения натурных
обследований. Для более полного де-
тального изучения методики натурных
обследований конкретных сооружений
следует обращаться к руководствам и
нормативно-технической документации,
которые выпускаются по отраслям,
например, руководствам по обследова-
нию и приемочному контролю полно-
сборных жилых зданий массового стро-
ительства, методическим указаниям по
обследованию строительных х конструк-
ций производственных зданий, эксплуа-
тирующихся в агрессивных средах
(предприятия по производству удобре-
ний) и т. д. Издание в последнее время
подобных рекомендаций отражает тен-
денцию постепенного отказа от суще-
ствующей еще, к сожалению, практики
выдачи заключения на основании ви-
зуальных оценок и документальных
проверок, а не по данным инструмен-
тальных измерений и испытаний, прово-
димых непосредственно на сооружении.
Обследование сооружения — это сумма
операций, основой которых являются
инструментальные измерения. Рассмот-
рим основные принципиальные положе-
ния методики обследования, типичные
приемы анализа экспериментальной ин-
формации и установления причин отка-
зов конструкций по показателям не-
сущей способности, трещиностойкости,
деформативности.
6. 2. Осмотр объекта,
изучение документации
Обследование начинается с
предварительного осмотра объекта, за-
тем изучается документация, после
чего проводится детальный осмотр, выя-
вляются реальные условия эксплуата-
ции, регистрируются трещины и пов-
реждения в конструкциях.
Предварительный осмотр имеет
целью установление соответствия ком-
поновочной и конструктивной схем несу-
щих конструкций требованиям техни-
ческой документации; В ходе предвари-
тельного осмотра может быть устано-
влена частичная или полная потеря
работоспособности конструкций, что оп-
ределяется видимым изменением поло-
жения (взаимное смещение, осадка)
конструктивных элементов сооружения
в пространстве, а также наличием маги-
стральных трещин. При осмотре выяв-
ляются наиболее поврежденные участки
конструкции, а также несущие элемен-
ты, находящиеся в наиболее неблаго-
136
Г лава 6 Обследование конструкций и сооружений
приятных условиях эксплуатации. Ви-
зуально оценивается общее состояние
конструкций: наличие увлажненных
участков бетона, состояние защитных
покрытий, наличие коррозии и т. д. Та-
ким образом, в ходе предварительного
осмотра собирается информация, поз-
воляющая уточнить программу и объе-
мы работ по обследованию.
Далее необходимо ознакомиться с
технической документацией. В случае,
когда документация отсутствует, необ-
ходимо установить;
год возведения объекта;
нормы, по которым проектировался
объект;
характерные схемы конструкции и их
особенности, свойственные определен-
ным периодам развития строительной
техники;
организации, проектировавшие и
строившие объект;
данные об объекте в периодичес-
кой технической печати тех лет, когда
он проектировался яли возводился, и
сведения по аналогичным объектам и
конструкциям, на которые есть техни-
ческая документация.
При изучении документации особое
внимание необходимо обратить на
проектные расчеты, планы, продольные
и поперечные разрезы конструкций,
рабочие деталировочные чертежи эле-
ментов конструкций и узлов; конструк-
тивную схему, обеспечивающую прост-
ранственную жесткость сооружения;
физико-механические параметры строи-
тельных материалов; сроки выполнения
отдельных видов строительных работ;
условия эксплуатации (нагрузки на не-
сущие элементы конструкций; макси-
мальную и минимальную температуру
воздуха снаружи и внутри здания; аред-
ные выделения, связанные с техноло-
гическим процессом; характер вибра-
ционных воздействий; осадки фунда-
ментов и время стабилизации осадок);
замечания контролирующих комиссий,
сделанные при строительстве и приемке
объекта в эксплуатацию, при ранее про-
водимых обследованиях, и принятые
меры по устранению недостатков; дан-
ные о ремонтах и усилениях.
Строительные конструкции обсле-
дуемого сооружения в общем случае
могут быть подвержены физическим,
химическим, биологическим и специаль-
ным воздействиям. Очень часто причи-
ной повреждений и аварийных ситуа-
ций является неучет некоторых реаль-
ных воздействий на стадии проектиро-
вания конструкций или отступление от
нормальных условий эксплуатации со-
оружения. В связи с этим при обследо-
вании обязательным является опреде-
ление параметров реальных нагрузок и
воздействий и сопоставление получен-
ных результатов с данными, указан-
ными в документации.
Перегрузки несущих конструкций
зданий могут возникнуть как при стро-
ительстве сооружения, так и в процессе
его эксплуатации. Дополнительные неу-
чтенные силовые воздействия появля-
ются в результате увеличения полезной
нагрузки при подвеске к конструкциям
различного вида дополнительного обо-
рудования, накопления снега, наледи,
производственной пыли. Увеличение
постоянной нагрузки на перекрытие
возможно за счет наложения дополни-
тельных слоев при ремонте пола. Эти
отклонения обнаруживаются при де-
тальном осмотре здания.
Очень существенное влияние на сос-
тояние несущих конструкций оказывает
внешняя среда, она характеризуется
целым рядом факторов, важнейшими из
которых являются температура, влаж-
ность, скорость и направление ветра
(воздушных потоков внутри здания),
степень агрессивности производства.
Воздействие температуры и влаж:
ности вызывает появление напряжений
в конструктивных элементах, а также
активно способствует коррозии строи-
тельных материалов. Температура и
влажность измеряются как внутри, так
и снаружи здания. При обследовании
промышленных сооружений произво-
дятся измерения температуры газовых
и жидких сред, сыпучих и твердых тел.
Температура и влажность окружающей
среды измеряются на протяжении всего
6.2 Осмотр объекта, изучение документации 137
периода обследования.-Результаты из-
мерений температуры и влажности со-
поставляются с данными метеостанции
за период обследования и результатами
многолетних наблюдений, предшест-
вующих периоду обследования.
По степени агрессивности среды
подразделяются на неагрессивные, сла-
боагрессивные и сильноагрессивные.
Для установления степени агрессив-
ности среды проводятся наблюдения за
атмосферными явлениями и инструмен-
тальные измерения состава, свойств и
концентрации содержащихся в воздухе
и в атмосферных осадках агрессивных
для строительных материалов жидких,
твердых и газообразных химических ве-
ществ. Пробы для определения состава
и концентрации агрессивных веществ
необходимо отбирать в течение трех
дней над кровлей и в приземных слоях.
Полученные данные позволяют уста-
новить категорию агрессивности среды
и определить коэффициенты условий
работы строительных материалов, необ-
ходимые для последующих перерасче-
тов обследуемой конструкции.
Определяя ветровую нагрузку при
измерении скорости и направления
ветра, следует исключить влияние аэро-
динамических особенностей сооружений
и рельефа. Измерения должны произ-
водиться на высоте 1,5 м от поверхности
земли и на высоте 2 м над наиболее вы-
соким участком кровли.
Детальный осмотр конструкции сле-
дует начинать с наиболее ответственных
элементов. Цель осмотра — установле-
ние повреждений, а также выявление
элементов конструкции, изготовление,
монтаж, эксплуатация которых прове-
дены с отклонениями от проекта. Несу-
щие элементы с дефектами условно
можно разделить на две группы: эле-
менты, в которых имеют место отклоне-
ния, не вызывающие видимых разруше-
ний; элементы с локальными разруше-
ниями.
Выявляя в ходе осмотра дефекты
первой группы, особое внимание следует
обратить на опорные части и соедине-
ния. Необходимо проверить правиль-
ность опирания и крепления опорных
площадок, качество сварки, ослабления
болтовых соединений. Проверяя состоя-
ние сварных швов, в первую очередь
следует осмотреть швы в узлах, к кото-
рым примыкают стержни с большими
растягивающими и сжимающими уси-
лиями. При осмотре необходимо зафик-
сировать лишние монтажные швы, ко-
торые могут изменить расчетную схему
конструкции. С особой тщательностью
необходимо осмотреть сжатые элементы
металлических конструкций. Погнуто-
сти сжатых стержней являются одним
из наиболее часто встречающихся де-
фектов металлических ферм. Деталь-
ному осмотру подлежат также верти-
кальные и горизонтальные связи, узлы
примыкания связей к фундаментам,
обеспечивающие пространственную же-
сткость сооружения. Одним из грубей-
ших и, к сожалению, часто встречаю-
щихся нарушений правил эксплуатации
является удаление вертикальных крес-
товых связей при установке оборудо-
вания в промзданиях.
К дефектам второй группы, выявля-
емым при детальном осмотре, относят-
ся ослабления элементов, вызванные
местными разрушениями. Это могут
быть срезы болтов, надрезы, сколы,
обрывы отдельных элементов конструк-
ций и т. д.
С методической точки зрения два
вида ослаблений следует выделить в
особую группу. Это коррозионные по-
ражения и трещины. При осмотре уста-
навливается наличие трещин, прово-
дится предварительный анализ причин
их возникновения, определяются места
с наибольшими поражениями корро-
зией.
При выявлении элементов конструк-
ций, ослабленных коррозией, следует
иметь в виду, что наибольшему пора-
жению подвержены металлические и
железобетонные конструкции в цехах
и специальных помещениях, в которых
по технологическому режиму предпола-
гается наличие агрессивных веществ.
При этом самые существенные повреж-
138 Глава 6. Обследование конструкций и сооружений
дения бетона и стали происходят из-за
кислотной и сульфатной коррозии, при
периодическом увлажнении и некачест-
венной химзащите. Для обычных зда-
ний и сооружений в наибольшей степе-
ни коррозии подвержены подземные
части здания при воздействии агрессив-
ных грунтовых вод и переменном темпе-
ратурно-влажностном режиме эксплуа-
тации и несущие элементы покрытия
при разрушении материалов кровли и
утеплителей. При этом наибольшей
коррозии следует ожидать на участках
с максимальными напряжениями, в
местах приложения сосредоточенных
нагрузок, на вводах вентиляционных си-
стем и в зонах с плохой вентиляцией,
на участках с интенсивным пыленакоп-
лением, а также в местах нарушения
защитного слоя бетона и антикорро-
зионного покрытия. По данным осмотра
определяются качественные показатели
коррозии: область распространения
коррозии и ее характер. По характе-
ру и области распространения коррозия
подразделяется на сплошную и мест-
ную, равномерную, неравномерную и
язвенную.
В несущих элементах строительных
конструкций к наиболее типичным де-
фектам относятся трещины, которые яв-
ляются следствием ошибок при проек-
тировании, изготовлении и эксплуата-
ции сооружений.
В металлических конструкциях поя-
вление трещин а большинстве случаев
определяется явлениями усталостного
характера. Усталостные трещины часто
обнаруживаются при обследованиях
сосудов давления, подкрановых балок,
высотных сооружений. Появление и
медленное развитие трещин под дейст-
вием нагрузки наблюдается в условиях
коррозии. Температурные напряжения
вызывают микротрещины в сварных
швах. Образование трещин при пос-
тоянных напряжениях возможно при
наличии дефектов структуры в зонах
концентрации напряжений. В металли-
ческом элементе конструкции при ста-
тическом нагружении трещины появ-
ляются при низких температурах или
высокоскоростном нагружении. В этих
случаях хрупкая трещина быстро разви-
вается, и, обследуя такие конструкции,
можно обнаружить уже не дефект-тре-
щину, а полное разрушение элемента.
Так как в строительстве используются
конструкционные металлы, как правило,
с хорошо выраженными пластическими
свойствами, то при обследовании метал-
лических конструкций трещины встре-
чаются значительно реже, чем в железо-
бетонных, кирпичных и каменных конст-
рукциях. Во многих случаях для метал-
лических конструкций, работающих на
статическую нагрузку, обнаруженная
трещина не несет в себе непосред-
ственной опасности. Дальнейшее разви-
тие трещины часто ограничивается
перераспределением усилий и зоной
остаточных сжимающих напряжений у
ее вершины. Распространение такой
трещины наблюдается только при
больших перегрузках.
При обследовании железобетонных
и кирпичных сооружений детальное
исследование трещин в конструкциях
является наиболее ответственным эта-
пом. Сооружение без трещин встреча-
ется значительно реже, чем с трещина-
ми. Если же рассмотрению подлежат и
микротрещины, то в этом случае отсут-
ствие дефектов в бетоне и кирпиче —
явление невозможное. Эксперимен-
тальные исследования показывают, что
технологические трещины существуют в
бетоне до нагружения, а образование
новых силовых микротрещин происхо-
дит при небольших воздействиях нагру-
зок порядка 10 % от расчетных. Полная
классификация трещин в железобетон-
ных элементах представляется задачей
чрезвычайно сложной. Существуют
классификации трещин по их геометри-
ческим (длина, ширина раскрытия, глу-
бина распространения) и статистичес-
ким параметрам (среднее и дисперсия
числа трещин в единице объема), энер-
гетическим показателям (суммарная
поверхностная энергия), характерным
стадиям процесса трещинообразования
при постепенном увеличении нагрузки
6.2. Осмотр объекта, изучение документации 139
и др. Однако приведенные варианты
классификаций, несмотря на их несом-
ненно положительные стороны в теоре-
тическом аспекте, недостаточно инфор-
мативны при решении практических за-
дач. Основным критерием оценки тре-
щин в обследуемых сооружениях явля-
ется степень их опасности для несущих
конструкций. Рассматривая трещины по
показателю опасности, можно выделить
три группы дефектов-трещин:
1) трещины неопасные, ухудшаю-
щие только качество лицевой поверх-
ности;
2) опасные трещины, вызывающие
значительное ослабление сечений, к ним
относятся также все нестабилизировав-
шиеся трещины, развитие которых про-
должается с неослабевающей интенсив-
ностью;
3) трещины промежуточной группы,
которые ухудшают эксплуатационные
свойства, способствуют физическому
износу, снижают надежность и долго-
вечность конструкции, однако непо-
средственной опасности не представ-
ляют, так как для разрушения объекта
в зоне трещины необходимо дополни-
тельное неблагоприятное стечение об-
стоятельств.
Для конструкций с трещинами вто-
рой и третьей групп должны быть
предусмотрены мероприятия по восста-
новлению эксплуатационных качеств. В
зависимости от индивидуальных особен-
ностей конструкции выбираются раз-
личные способы восстановления, кото-
рые могут заключаться в простейшем
случае — в заделке трещин раствором,
или усилении дефектного элемента в том
случае, когда дальнейшая его эксплу-
атация может привести к разрушению
элемента и конструкции в целом.
Для того чтобы правильно рассчи-
тать степень опасности трещины в желе-
зобетонном элементе, необходимо выяс-
нить причины ее возникновения. Слож-
ность решения этой задачи определяет-
ся тем, что часто воздействие нагру-
зок, ставших причиной появления и раз-
вития трещин, обнаружить в момент
проведения обследования не удается.
Трещина могла образоваться в зимний
период эксплуатации конструкции из-за
перегрузки снегом, промерзания увлаж-
ненной области бетона, наледи. Появле-
ние трещин возможно также при неп-
равильной эксплуатации конструкций
производственных зданий, от времен-
ных перегрузок несущих элементов.
Образование трещин возможно и на
стадии монтажа конструкций. При-
чиной могут оказаться поставленные
неправильно или в недостаточном
количестве временные связи, некачест-
венное выполнение строительно-мон-
тажных работ или нарушения порядка
монтажа. Часто трещины возникают из-
за неравномерной осадки здания, кото-
рая имела место в течение непродолжи-
тельного периода при монтаже или
эксплуатации. Наконец, трещины могут
появиться при изготовлении строитель-
ного изделия, а также в процессе его
транспортировки.
Во всех случаях действие фактора,
вызвавшего появление трещины, мог-
ло прекратиться к моменту проведения
обследования. При недостаточно стро-
гом контроле на стадиях изготовления,
монтажа и эксплуатации конструкций
сведения о появлении трещин своевре-
менно не регистрируются. Таким обра-
зом, от инженера-экспериментатора,
проводящего обследование, требуется
умение при наличии неполной информа-
ции дать правильную оценку состояния
конструкции и причин деструкции. Чрез-
вычайно полезной в этом случае могла
быть классификация'трещин по причи-
нам их возникновения, но, к сожалению,
такой всеобъемлющей строгой клас-
сификации быть не может. Можно лишь
говорить о наиболее вероятном происхо-
ждении трещин определенного вида в
железобетонных и каменных конструк-
циях. Такую условную классификацию
следует постоянно дополнять на основа-
нии результатов обследований, прово-
димых различными строительными ор-
ганизациями, институтами и лаборато-
риями.
/
140 Глава 6 Обследование конструкций и сооружений
Возникновение трещин в железобе-
тонной или каменной конструкции опре-
деляется локальными перенапряжения-
ми и ослаблениями. Причиной появле-
ния больших напряжений, образования
и развития трещин являются:
перегрузки, вызванные статичес-
кими и динамическими силовыми воз-
действиями; концентрация напряжений
на структурных неоднородностях и в
зонах изменений геометрических пара-
метров несущего элемента, а также
при натяжении арматуры; неравномер-
ные перемещения конструкций из-за
перегрузок или различия в деформатив-
ных характеристиках строительных ма-
териалов; неравномерные осадки фун-
даментов;
различные температуры элементов
конструкции, либо резкий перепад тем-
пературы в сечении элемента, неравно-
мерное распределение температуры в
объеме бетона массивных конструкций
при экзотермической реакции;
большая усадка бетона, вызванная
нарушениями при изготовлении или же
неудачном подборе состава бетонной
смеси, неравномерная усадка поверхно-
стных слоев бетона внутренних облас-
тей, вызванная интенсивной потерей
влаги на его поверхности;
расклинивающее действие льда в
порах, пустотах, трещинах на увлаж-
ненных зонах бетона;
расклинивающее действие арматуры
при ее коррозии из-за накопления ржав-
чины.
Местные ослабления в бетоне кон-
струкций, которые приводят к появле-
нию трещин, могут быть также вызваны
нарушениями в технологиии изготовле-
ния сборных и монолитных железобе-
тонных конструкций и, как следствие,
большой неоднородностью структуры
бетона; коррозией бетона, вызванной
фильтрацией воды, повышенным содер-
жанием солей, растворяющей способно-
стью фильтрующих вод; электрохими-
ческой и газовой коррозией.
Детальный осмотр дефектных зон
железобетонных и каменных конструк-
ций должен завершаться составлением
предварительного заключения, в кото-
ром дается ориентировочная оценка
причин возникновения и степени опас-
ности трещин, приводится план инстру-
ментальных измерений, результаты ко-
торых должны уточнить причину мест-
ных разрушений. Во многих случаях
предварительная оценка происхожде-
ния и опасности деструкции может быть
произведена по аналогии обнаруженной
трещины с трещинами, природа появле-
ния которых достаточно хорошо изуче-
на. К характерным особенностям тре-
щин, которые могут быть выявлены в
ходе детального осмотра, относятся:
ориентация трещин (продольная,
поперечная, вертикальная, горизон-
тальная, наклонная);
количество трещин и их расположе-
ние в дефектной области;
ширина раскрытия и зона распрост-
ранения трещины по длине и толщине
элемента.
Информация, полученная при осмо-
тре, дополняется результатами инстру-
ментальных измерений, по которым
уточняется область распространения
трещины, оценивается возможность ее
дальнейшего развития, для незастыв-
шей трещины определяются длина и
ширина раскрытия как функции време-
ни.
Анализ результатов многочисленных
обследований позволяет указать на не-
которые закономерности образования и
развития трещин в несущих элементах
железобетонных и кирпичных сооруже-
ний, которые связаны с конкретным
видом воздействий и характерны для
определенных по конструктивному наз-
начению несущих элементов.
Неравномерные деформации осно-
вания при действии собственного веса
строительных конструкций и полезной
нагрузки определяются потерей устой-
чивости основания, пучением грунта,
вымыванием основания при нарушении
системы водоснабжения, замачиванием
лессовидных грунтов, неоднородностью
основания в зоне фундаментов. Зоны
6.2. Осмотр объекта, изучение документации
141
Рис 6 1 Трещины в
стеновых панелях и
кирпичной кладке,
вызванные неравномерной
осадкой
деструкции, ориентация трещин зависят
от расположения ослаблений под фун-
даментом или наличием уплотнений
грунта. Существенное влияние на схему
образования трещин от неравномерной
осадки основания оказывает конструк-
тивное выполнение узлов и сопряжений,
обеспечивающих пространственную
жесткость здания. При неравномерных
деформациях основания трещины появ-
ляются в несущих стеновых панелях
(рис. 6.1), на стыках, часто переходят
на перегородки и панели перекрытий.
Для анализа возможных вариантов
трещинообразования несущий стеновой
блок может быть рассмотрен с извест-
ной долей приближения как балка-
стенка с различными условиями опи-
рания. Ослабления основания у краев
фундамента или же прочная опора под
средней частью здания (рис. 6.1, а)
вызывают напряженное состояние с
максимальными растягивающими нап-
ряжениями в верхней трети балки-стен-
ки над краем ослабленного участка
основания. Наклонные трещины отрыва
возникают от действия изгибающего мо-
мента и поперечной силы. Эти трещины
могут не доходить до верхней кромки
стены, т. к. критические растягивающие
напряжения определяются, главным
образом, поперечной силой. При зна-
чительных различиях податливости
грунта (рис. 6.1, б) возникает вер-
тикальная трещина сдвига на гра-
нице ослабленного и нормального осно-
вания. В этом случае наибольшее отно-
сительное смещение краев трещины от-
мечается в уровне фундамента. Если
ослабленная зона грунта расположена
под средней частью фундамента
(рис. 6.1, в), трещины отрыва, вызван-
ные неравномерной осадкой, наклонены
к центру стены и к зоне ослабленного
основания. Образование вертикальных
трещин сдвига в этом случае маловеро-
ятно.
При перегрузке простенка возни-
кают вертикальные, горизонтальные и
наклонные трещины. При неправильном
опирании перекрытия появляются тре-
щины смятия в верхней части панели.
Сквозная силовая трещина любой
ориентации может привести к сниже-
нию несущей способности и устойчи-
вости стены. Наибольшую опасность
представляют горизонтальные и на-
клонные трещины. Появление верти-
кальных силовых трещин в плоскости
стены от перегрузок маловероятно, так
как столб несущей стены работает в ус-
ловиях плоской деформации, поэтому
при центрально приложенной нагрузке
следует ожидать возникновения трещин
расслоения по толщине панели.
Выпучивание несущей железобетон-
ной стены, которое сопровождается
появлением горизонтальных трещин,
может быть следствием недопустимо
142 Глава 6. Обследование конструкций и сооружений
большого эксцентриситета вертикаль-
ной нагрузки при неправильном мон-
таже; перегрузке стены в результате
перераспределения усилий; неодинако-
вой деформативности различных по
толщине слоев панели при неправиль-
ной технологии изготовления; горизон-
тальных перемещениях конструкций от
неравномерной осадки.
В ходе инструментальных измере-
ний при обследовании стен с горизон-
тальными трещинами обязательно
следует определять перемещения изгиба
стены относительно краев панели, ха-
рактеризующие степень выпучивания и
реальный эксцентриситет вертикальной
нагрузки.
Различия в деформативности и заг-
руженности вертикальных элементов
здания вызывают неравномерность оса-
дки несущих стен. Относительные сме-
щения рядом расположенных верти-
кальных конструкций увеличиваются по
высоте здания. Это может явиться при-
чиной появления вертикальных трещин
в узлах сопряжения панелей и наклон-
ных трещин в перегородках и панелях.
При различной деформативности стено-
вых панелей трещины развиваются в
верхней части здания (рис. 6.2).
Причиной возникновения опасных
наклонных трещин с большой длиной
и раскрытием является сочетание не-
равномерной осадки и вертикальных
перегрузок или же усадки бетона и пе-
регрузок.
Температурные трещины в стеновых
панелях появляются при больших гра-
диентах температуры по толщине эле-
мента или же при ограничении связями
температурного расширения и сжатия
элемента. Вертикальные несквозные
температурные трещины в наружных
стеновых панелях развиваются в преде-
лах одного этажа. Часто наблюдаются
сквозные температурные вертикальные
трещины в перемычках при неудачном
выполнении температурных швов.
Характерной особенностью температур-
ных трещин является непостоянство
ширины их раскрытия. В связи с этим,
если есть основания полагать, что тре-
Рис. 6.2. Схема образования
трещин при различной
деформативности несущих
'конструкций девятиэтажного
жилого здания
Рис. 6.3. Схемы
расположения
усадочных трещин
щина температурная, необходимо на
стадии проведения инструментальных
измерений проконтролировать ширину
ее раскрытия в течение суток.
Усадочные трещины на поверхности
стеновых панелей и плоских плит имеют
вид беспорядочной сетки (рис. 6.3, а).
В ребристых плитах, трехслойных пане-
лях, балках, стеновых панелях с прое-
мами усадочные трещины распростра-
няются на большую глубину, часто ока-
зываясь сквозными (рис. 6.3, б). Эти
трещины расположены в зонах изме-
нения геометрии сечения (сопряжение
ребра и полки, мостики холода в трех-
слойных панелях, углы дверных прое-
мов и т. д.). Усадочные трещины во
внутренних конструкциях с раскрытием
менее 0,3 мм при отсутствии агрес-
6.2. Осмотр объекта, изучение документации 143
сивной среды не представляют опаснос-
ти. Трещины с большим раскрытием
способствуют коррозии арматуры и зак-
ладных деталей, вызывают повышенную
деформативность поверхностных слоев
и могут стать причиной нежелательного
перераспределения усилий. Так, при
расположении больших усадочных тре-
щин на одной из граней стеновой пане-
ли вертикальная нагрузка, распреде-
ляясь пропорционально жесткостям
слоев, создает эксцентриситет нормаль-
ной силы и вызывает выпучивание стены
с растяжением на дефектной ослаблен-
ной усадочными трещинами поверхнос-
ти, что может в конечном итоге привести
к образованию силовой горизонтальной
трещины. Усадочные трещины во внеш-
них железобетонных конструкциях дол-
жны быть заделаны. В противном слу-
чае они будут развиваться в результате
расклинивающего действия льда, обра-
зующегося в них в зимний период.
В конструкциях без преднапряжения
появление трещины, проходящей вдоль
арматуры в защитном слое бетона, вы-
зывается коррозией арматуры. Раск-
линивающее действие продуктов корро-
зии может оказаться столь значитель-
ным, что вызовет отслоение защитного
слоя бетона на больших участках.
При обследовании часто обнаружи-
ваются трещины в железобетонных пе-
рекрытиях. Обеспечивая пространст-
венную жесткость сооружения и вос-
принимая вертикальную нагрузку, пе-
рекрытия работают в условиях сложно-
напряженного состояния. Чердачные и
надподв.альные перекрытия, кроме того,
находятся под воздействием температу-
ры и влажности. Поэтому причины об-
разования трещин устанавливаются в
результате инструментальных измере-
ний ширины раскрытия трещин, глу-
бины их распространения, деформаций,
прочности бетона, толщины защитного
слоя и диаметра арматуры.
Наиболее опасными являются тре-
щины, расположенные поперек рабоче-
го пролета балочных плит. Каковы бы
ни были причины, их вызывающие, эти
трещины ведут к ослаблению расчетных
сечений. Силовые трещины от верти-
кальной нагрузки с максимальным рас-
крытием на нижней поверхности плиты
обнаруживаются в средней части плиты
с направлением поперек рабочего про-
лета. В защемленных по двум сторо-
нам плитах вертикальная пёрегрузка
вызывает образование поперечных тре-
щин на опорных участках с максималь-
ным раскрытием на верхней поверхнос-
ти.
Если деструкция плиты вызвана не-
равномерной осадкой вертикальных не-
сущих элементов сооружения или гори-
зонтальными перегрузками, то опасная
поперечная трещина располагается на
верхней поверхности одного из приопор-
ных участков плиты. Причиной образо-
вания трещин в верхней области одной
из опорных зон плит и на нижней по-
верхности средней части пролета явля-
ется либо совместное действие нерав-
номерной осадки и вертикальной наг-
рузки, либо действие только вертикаль-
ной нагрузки. Для последующих пере-
расчетов крайне важно знать, какая из
этих двух причин является определяю-
щей. Необходимая для этого информа-
ция может быть получена в результате
измерений осадок плиты, а также в ходе
испытаний пробной нагрузкой малой ве-
личины, которые позволяют уточнить
расчетную схему работы плиты.
Наклонные силовые трещины в
гладких плитах, как правило, не обра-
зуются. Такие трещины встречаются
при вертикальных перегрузках ребрис-
тых плит. Характерная схема их образо-
вания в приопорных зонах с максималь-
ным раскрытием на нижней поверх-
ности ребер определяется расположе-
нием полезной вертикальной нагрузки
вблизи от одной из опор.
В балках рамных конструкций схема
образования опасных силовых попереч-
ных трещин такая же, как и в ребристых
плитах. При больших вертикальных
нагрузках на железобетонные балки,
например, для подкрановых балок, воз-
можно также образование веретено-
образных наклонных трещин (рис.
144
Глава 6. Обследование конструкций и сооружений
Рис. 6.4. Веретенообразные балке при эксцентриситете
трещины вг подкрановой вертикальной нагрузки
6. 4, а) с максимальным раскрытием на
полке в зоне центра тяжести сечения.
Возникновение таких трещин определя-
ется неучетом в расчетах дополнитель-
ных крутящих моментов, появившихся
из-за больших эксцентриситетов верти-
кальной нагрузки при смещении рельса
с оси балки (рис. 6.4, б).
Существование опасных силовых го-
ризонтальных трещин продольного из-
гиба в железобетонных колоннах мало-
вероятно, так как большое значение
сжимающей силы при возникновении
перегрузок от изгибающего момента
вызывает перенапряжение сжатия на
одной из граней и образование попереч-
ного излома на противоположной грани
колонны, что ведет к окончательному
разрушению. Критическая перегрузка
сопровождается появлением вертикаль-
ных трещин отрыва. Как показывают
результаты обследований железобетон-
ных стоек, находящихся в аварийном
состоянии, разрушению колонн с обра-
зованием вертикальных трещин способ-
ствует изгиб стержней продольной ра-
бочей арматуры. В практике современ-
ного строительства установка продоль-
ных рабочих стержней в колонны пред-
ставляется наиболее нерациональным
использованием арматурной стали, поэ-
тому актуальной задачей строительного
производства является скорейший мас-
совый переход к железобетонным эле-
ментам, работающим на сжатие, с раци-
ональным расположением арматурной
стали (бетон в спиральной обойме,
трубобетон, мембранобетон).
Данные детального осмотра являют-
ся основой для составления подроб-
ного плана инструментальных измере-
ний и неразрушающих испытаний. В
плане инструментальных обследований
приводится перечень геометрических и
физико-механических параметров, под-
лежащих экспериментальной оценке,
указываются необходимые приборы,
выпускаемые промышленностью, уточ-
няется методика контроля.
6. 3. Инструментальные
измерения геометрических
и физических параметров
конструкций
К геометрическим параметрам
обследуемой натурной конструкции от-
носятся:
длина элементов и расчетные раз-
меры поперечных сечений с учетом
ослаблений;
размеры, характеризующие положе-
ние несущих элементов, относительные
смещения конструктивных элементов
пространственной схемы сооружения;
перемещения различых точек эле-
мента (осадки, прогибы, углы поворота
и т. д.).
Инструментальный контроль геомет-
рических параметров проводится вы-
борочно и планируется по результатам
осмотра. Крайне редко назначается
сплошной контроль геометрических па-
раметров конструкций сооружений. При
выборочном инструментальном обсле-
довании измерение геометрических раз-
меров сечений и длин проводится для
нескольких элементов в характерных
наиболее напряженных участках и в
зонах агрессивных выделений.
Для конструкций промышленных
зданий с однотипными несущими эле-
ментами обследуются: каждая десятая
стропильная ферма и колонна, но не
менее трех в температурном блоке;
связи между двумя стропильными фер-
мами; один диск связей по колоннам
в каждом ряду и в температурном
блоке. Для стальных конструкций при
больших коррозионных повреждениях
следует проводить инструментальные
измерения для всех элементов.
Для установления размеров исполь-
-«’I ; .'M'-»-
д. .л^'
Йом с noMoriM^/
НЙЙдеяение глу*^..
Ш^екрытий ;?'
в двух
рбетйора.а измерение проводят
'““ ” “ 1 ли
железобе-
Г Могут быть вызваны вер-
ой перекрытия,
; недостаточней
’ Г-Й-М,
'W?
и о
Л^ЬуГлШ
V —
йВШйДЛя,*?
яе]
яоложёй1Йг,
йй£Шетона\ в сжатой з$
ЗНОЙ Пк_г
ениям отШйШ. \
панел и, в особей-
степеии выпучиваний й
:ь в-'wii 3^ й
екиеособейжи
'НИЙЙйй^^'
teiTbMHHHB
146 Глава 6. Обследование конструкцией
....' '1-*' ' 1 w
ш.Теедезическийметод,
. _ _ . н< измерении паралладти-
ческих углов, обеспечивает оператив-
ность и достаточно высокую точность
ширины крупных трещин
(*й:ОД М*0 на больших расстояниях
(До 50 м). Существует несколько ме-
тодик измерения параллактических
. шкалой, yvinn a twin вести vn я|с|»«»сри«мч!^ уГЛОВ, ОСНОВВННЫХ НЯ ИСПОЛЬЗоВанНИ
лярио потолку в нескольких егОл<@чй& - различных. геодезических приборов и
j*^K4o рассматриваемых точек ?авищ1т мест закрепления эталона. Наиболее ча-
отоцирииы и сто используются дальномеры двойного
и плит малой ширинынаображенчя с иостоянным базисом и
---......-. теодолиты с таигенцнадьным винтом.
Длинаи ШУЙиадГ распространения тре-
фу^\|ЫЯ^яЩцх на поверхность, а так*
скрытых даефек*
Прщщ&г нлй'ййнадктй*
определяют после измерений дИЙЙ^Ъ’
тельиыхпролетов. Для этого проводи^
•^ндвелированне потолка. Так же хаки
-эдм использовании теодолита,
шкалой, устанавливаемой рюрпеидкку*
сматывается адащ>^Фммф л^-.Лхд: л<.
- , (лмеченные • в' Ш
осмотра дефекты 'должны ’.ШЙЗЙН Ж.
личествеиную оценку по данным
' {^нталжР^-к^фо^1Ж|«рй*>!^
о ворраждениях необходима
' .'1уйынв• расШйых ₽вйЙ?й‘-.?и“’'
ослабЛений на момент обследов^
сэтойцелыр исполь
'г'-..МанКкзлее
•аднпавреждениямнматериала
- . ея трещины < коррозионные
' ния. В йоде детальногойсмотра
•- а^ся.дйш» д>щнмые:11^адй|^
'<|^^'';кяйс1р)пквди, и и£Шг^
*•'• • -. тДгасё " "
пояска е
ц^а|<$^^ст^мл1^нррвзвшихсятре-
щиммбгутбытьа|>дрмулированы исход-
СЩЯ&ИЙ*
тр|й: нсследованяя прк
«OciiKHiew'^^^'W
тодпозволяет
. , . ,'Ча^гй'<йй„.. . ,
•уру.С кспол ьзсжаниемШ
регистрации
«$►
иСя
осЬоомляе-
**qr**jT”*'*“v'
яструкции отмечаются
н,областии значения
раскрытий, траекто-
На участках с
. ...... sf WWpM трещин для сос-
тдй^нд-,|Щ₽ты трещин используется
ф^Сф^мстра^щНафотографин отме-
з»а^ИЯ«шролируемойшири-
даетсяпривязка
я стан-
шваются
4
^^ рвй^догвгож обследовании^
““—:
\ акустической
Ы по иссле^<
Вчее устИт-Н^ВкЛ^^ «иит параметров .
страскрытня^кимобрй^ом.что^ндрвь «дао||ИйМйВ^Ш^^ кине-
Щкна пересекала ш»8к1юсере»н1е; Тикн образованИя
Длина манка €адом*Н4М& одйЙЙ® в бетоне. На основе ’ ‘ ~ -
уегдам«вдДОда.фшйМ|^^ р«венталык>-т«}ретических
рЗЙЙнь ни в .хдоыым... Ори ‘«доНи -W разработан способ оценки описей^
трещины правильно
маяк раэрывается. 'v
Ш'
тия силовых трещин в железо-
Злементах и метод определе-
трещин в мастоящее время стдаимм'
новые,дадо-венй^^йй»^до^»в^
способы ошнкнхарактедапякстйн#
процесса тртинеображтннавдвяст*
рукадях.Перспективным в>шь плане
к оценки состоя-^
дешвазнйрн .
У;--' ~
да,здйь*М1>
д построен на коли;
сравнении параметроваку-
дай - мдодакгЗ^^»й«1!Йм<4^Й№«е *Йий- доййк &дошиш . о&йру*»
рукцин образ^<щиднразв*ны№тся жеквй-трещины.и бездефектной » той
додам», .да^ йЙяМЙЙнм* «HJ «* -дагружвшда ’•
края трещины со|щрщмлилерР!^М»ЯШ -'рДОдо^ммдан^.дошдо едаиюьде*
" ЙДОДО.
год маданкраарушаясь, лишь констатируют
регистрации мс—“—— ------------------------------- “--------—
дящей ОТ -
от герметрическ
инапряженийв
£ '':1^|й^Мй«<м»и-треши»М’ до ее про- , .
|цнеск<й дмнедцв^
€МЙМ?йаучад-й‘' 4 "''''
так. ^язанцык^с,
деформиро»ащ<яиразруц№ЙЯ*«»йт-
рукционныхмлтеркалов.долгоевр01<я
ле находил хебе применения впрактнке
ясняется дй> J W, что да^домЙ1Й
«н«.
BpRIWtTh- ~ треищуЫ: „ -ч
дой£ --.^йййе* раненым «одод дам»
ЙйЙЙМЙч ^я^уея' Olwm- •*#₽»* .
1||ej> дайдоМЙ4Йея1И|к Оценка <удонм»
нмя раэмеров поперечных сечений ц
Структурныхvf ослаблений в бетоне
провщнёгсяпо результатам ультдашгу*
коных измерений и данным миирмаю^
пическото аналнза. Отрицательное воз-
действиесреды.прежде всего сказыва-
ется ла? поверхностном слое
ЛчЙя&ВъДi-'BWW. степень
тн повреждений такого рода зависит
от масснвности бетонной ил « железо,
фдойё* конструкции. Толщина»; вов^
режденного слоя определяется возрас-
«ЙЙЖ’»дай»Ш*ю структуры бетона.
Длнтельностыо и характером воздейст-
148 ' Глава 6. Обследование конструкций и сооружений . , -
ные разрушения обнаруживаются -в бе-
тоне, испытавшем попеременное замо-
раживание— оттаивание в водонасы-
щенном состоянии; 'Замораживание
в раннем возрасте; воздействие высо-
койположительной температуры, хими-
чески агрессивных веществ — содей,
кислот, масел.
Полная информация об объемах и
степени структурных повреждений в бе-
тоне может быть получена в результате
комплексного экспериментального ре-
шения задачи, которое предполагает
выполнение следующих операций:
выборочные ультразвуковые испы-
тания методом продольного профилиро-
вания с построением годографов ско-
ростей;
изъятие, образцов бетона из участ-.
ков конструкции, на которых проводи-
лись ультразвуковые измерения;
химический и микроскопический
анализ, позволяющий определить объ-
емное содержание отдельных компонен-
тов структуры для различных’ слоев
бетона;
механические испытания? ио опреде-
лению прочностных и деформативных
характеристик бетона (относительное
снижение прочности, абсолютные значе-
ния прочности и деформативности, сме-
щение физической оси, вызываемое
повреждениями отдельных слоев бе-
тона);
построение градуировочных зависи-
мостей «прочность бетона — скорость
распространения ультразвука» (по со-
ответствующим участкам годографа
скорости); ' . -
. неразрушающие ультразвукдвые ие-
пытания в требуемом объеме для опре-
деления глубины поражения^бетона
й степени снижения ёгопрочностИ.
Комплексные испытания в полном
обмме’.' по определению послойных
повреждений бетона обследуемых кон-
струкциймогут бьн> проведенй только
силами специально оборудованйей пе- . ..
рёдвнжной лаборатории. Наблюдается ментов. Следует подчеркнуть, что речь
недостаток тайН лаборато^^ШЙммру идет именно о приближенной оценке
ЙссмвтряжШГйй свойств МатерэдалЬв/ Даже испытание
задача часторешается W железобетонного элемента до разруше-
Комилеяюиой программе. ЬС- Kp*'(im6p^/wrectBeHHO, не доцуска-
Коррозия — типичное повреждение
строительных конструкций. Основными
количественными параметрами корро-
зии металлических конструкций и арма-
туры являются < величина ослабления
расчетныхсечений и стойкость металла
прн коррозии.
Стойкость металла определяется
скоростью коррозии (уменьшение тол-
щины в мм/год). Коррозия в средне-
агрессивной среде при средней Скорости
0,1 мм/год приводит через 25 лет к ос-
лаблениям, сечений приблизительно на
5 %: При эксплуатации в агрессивных
средах соответствующие потери за тот
же срок доходят до 20—25 %.
Определение количественных пара-
метров коррозии металлов и арматур-
ных сталей может быть проведено в
результате инструментальных измере-
ний исследуемых сечений или с исполь-
зованием металлографических методов,
позволяющих оценить коррозионные
поражения кристаллической структуры
металла. Приближенная косвенная
оценка ослаблений сечения может быть
дана по толщине слоя окислов. Изме-
ренная штангенциркулем толщина
пленки ржавчины составляет 30—50 %
глубины коррозионных потерь. Точная
величина ослаблений определяется в ре-
зультате непосредственного измерения
толщины элемента после удаления
ржавчины со всей поверхности исследу-
емых сечений И зачисткой ее до появле-
ния блеска. В случае язвенной корро-
зии измеряют глубину язв с помощью
индикатора с игольчатым наконечни-
ком. В Этом случае требуется более
тщательная. химическая обработка ис-
следуемого участка с удалением ржав-
чины из язв.
Чрезвычайно важным вопросом при
обследовании конструкций сооружения
является оценка физико-механических
свойств строительных материалов в
контролируемых сечениях несущих эле-
4
ется) дает
цию о прочностныхстсйствахматёрйа- (
лов, так как эти данные могуУ^Йй^ 1
получены а резул ьтата ре шения обрВт-
ной задачи расчета на несущую способ-
ность, которая,; как Известно, зЯяейеИт'
от целого ряда факгоров.оПределЯемах
с той или иной степеныб точное** -
Условность же самой аналитической мо-
дели разрушения определяет тоУфаЙ/
что после всех допущений на веблаго-
приятное стечение обстоятельств дейст-
вительный коэффицентзапасаокйЗЫ-
вается в 1,5—3,2 раза больше среднего
предполагаемого по нормам проеггирб-
вания железобетонных конструкций в
СССР, США И Европе.
Таким образом, определяя: важней-
шие физико-механические характерис-
тики материалов — прочность, дефбр-
мативность, однородность, объемную
массу, влажность, необходимо' статно
тически оценивать результаты, услов-
ность и приближенность проведенного
на основании этих данных яерерас4ега
и прогноза условий - наступления пре-
дельных состояний конструкции.
Применяемые в настоящее время ме-
•годы и приборы для контроля свойств
материала н соединений рассматрива-
лись в гл. 5. Доминирующий показа-
телем качества конструкций обследуе-
мых сооружений является несущая спо-
собность, которая во многом определя-
ется прочностными показателямиМате-
риалов. Поэтому, разбирая вопросы,
связанные с методикой провей*** оф
следования, яввбходимо дать оценку
реальным возможностям и перспектив-
ности дальнейшего развития существу-
ющих методов определения прочности
материала конструкций.
При проведении натурных обследо-
ваний в большинстве случаев не пред-
ставляется возможным получить на-
дежную градуировочную зависимость
«прочность — параметр моеветнябЧ^
разрушающего метода >1 что ограничи-
вает Использование -'яри* обследовании
таких методов/ как ультразвуковой им-
пульсный, радиоизотопный и пласти-
ческого отпечатка. >
-на местных
в больше»:
с«М1Лт^'%МфШ1Мгочности
flriW: rrtfll'Hirn' 11 li WW fhMojftbero-
дов Аля опртелеиш прочнбаяШйжц
вО;ВседЯ1Иересуюод^
ПОНЯТНЫЙ прионам ограничены/даир*'
w е ШМЯииО # оправданным ебИЙМ
шенстщУмние этих методов с целью
повышения ихточности при меньшей
. З^йжбедася W
ному на испЫтанииЬбразцаямщнфйв*
лт -- взятых • из
этот метод будет всегда сохранятьтфад-
тическую ценность, сколь успешной»
развивались быдругне методы, Тажкак
испытанняэтим методом проводятся
наиболее корректным образом, близким
к действительной работе материала «
конструкции, Кроме того, * припроведе-
нин лабораторных испытанийобраЭцов
возможно пол учение информации ОДе-
форматнвных свойствах и характере
трещннообразования бетона при боль-
ших напряжениях. Получение этих Дан-
ныхкрайне важно', если планируется
проведение испытаний конструкций ста-
тйчесКой нагрузкой, так как в ходе
нагружения конструкции близость ее к
предельному состоянию оценивается
по деформациям и' характерным' ста-
диям процесса трещинообразованиЯ.
Оценивая возможности существую-
щих методов испытания материала не-
посредственное конструкции, можнобт-
мВтйть некоторые характерные особен-
ности перспективных направлвНя* в
развитии методики оценки пречяостяйх
показателей обследуемыхжелезобетен*
ных конструкций. Метод должеи бази-
роваться на созданий разрушений не
только на поверхности, но и на глубине
беТОйНой конструкции. Образующиеся
дефекты недолжны представлять опаС-
нбеть для конструкции. J
'Мязаяйыё ириВнаки содер&йт Я с&
бе- метод термоакустическбй эмиссия,
который основан на создании в локаль-
ной области бетона глубиной до 10 см
мнкроразрушений и регистрации коли-
чеСтва энергии и амплитудного раедре-
Глава 6. Обследование конструкций и сооружений
деления акустической эмиссии от
образующихся микротрещин. Разруше-
ния бетона возникают от температур-
ных напряжений при нагреве участки
поверхности бетона на площади до
Юсм. Градуировочные зависимости,
полученные на различных структурах
тяжелого бетона, показывают, что па-
раметры акустической, эмиссии доста-
точно информативны. Так, при увели-
чении прочности в 2—3 раза суммарное
количество импульсов акустической
эмиссии, зарегистрированных в процес-
се нагрева в одном и том же режиме,
возрастает в 10—15 раз. Есть основание
полагать, что в результате дальнейших
разработок по совершенствованию ме-
тодики контроля и обработки парамет-
ров термоакустической эмиссии воз-
можно создание универсального спосо-
ба определения прочности бетона по
единой для различных структур градуи-
ровочной зависимости.
6. 4, Перерасчет и составление
заключения
по результатам обследования
Перерасчет конструкции по
фактическим показателям, полученным
при обследовании, выполняется с целью
окончательной оценки несущей способ-
ности и эксплуатационной пригодности
сооружения; определения напряжений,
деформаций, перемещений несущих
конструкций при различных уровнях по-
лезиой нагрузки (результаты исполь-
зуются на втором этапе обследова-
ния —в ходе; испытаний конструкций
статической нагрузкой),
. Для окончательной оценки пригод-
ности сооружений перерасчет выполня-
ется в соответствии с существующей
на момент обследования методикойрас-
чета по предельным состояниям. В ре-
зультате такого перерасчета определя-
ются завышенные внутренние усилия,
д зфсдодшш и Евремшення конструк-
ций.в предположении сочетания неблаг
гоцрйятных отклонений исходных яара-
-расяетд.' ^необходим»
диййе Для сравнения с данными про-
водимых впоследствии испытаний, то
есть исходные параметры и уточненная
методика ориентированы на ожидаемый
в эксперименте результат. Перерасчет
проводится по. средним фактическим
характеристикам с построением довери-
тельных интервалов и соответствующих
вероятностей.
Перерасчет проводится с учетом
реальных отклонений в расчетной схеме
и перераспределения усилий, вызван-
ных неравномерной осадкой основания;
различием в деформативности соседних
несущих элементов; нелинейностью де-
формирования материалов; концентра-
цией напряжений на дефектах, кон-
структивных и структурных неоднород-
ностях.
В расчет закладываются фактичес-
кие параметры геометрии конструктив-
ных элементов, нагрузок и реальные
физико-механические характеристики
материалов.
Окончательный поверочный расчет
по результатам первого этапа обследо-
вания, если испытания пробной нагруз-
кой не предусматриваются, проводится
согласно методике, установленной нор-
мативными документами для соответ-
ствующих конструкций. Необходимо от-
метить, что хотя существующий расчет
строительных конструкций по предель-
ным состояниям основан на вероятност-
ных предпосылках, по структуре и ко-
нечным результатам он представляется
детерминированным. Даже однотипные
несущие элемент» сооружений, рассчи-
танные и запроектированные по сущест-
вующим нормам, имеют различную ве-
роятность безотказной работы; некото-
рые исходные параметры принимаются
без надлежащего вероятностного обос-
нования. Эти недостатки не следует
рассматривать как методические прос-
четы, которые можно проанализировать
и исправить. Данная ситуация отра-
жает объективные трудности перехода
к вероятностному расчету на надеж-
ность и долговечность. И очень многое
в этом плане зависит от обследований
сооружений, в частности, от правиль-
ней обработки и анализа собранной
информации. Перерасчет конструкции
6.4. Пере рас ne t
по данным обследования представляет
собой аналитическую схему, в которой
присутствует и реальная конструкция
с ее отказами различной степени опас-
ности, и действительные отклонения
расчетных параметров. Перерасчет об-
следованной конструкции, таким обра-
зом, следует рассматривать не только
как средство количественной оценки
состояния сооружения, но и как одну из
возможностей внести вклад в развитие
методики вероятностных расчетов
реальных конструкций по фактическим
исходным параметрам. В связи с этим,
в ходе перерасчета целесообразно опре-
делить надежность сооружения или, по
крайней мере, надежность отдельных
несущих конструкций на момент обсле-
дования. Методика такого перерасчета
может быть построена на принципах
статистического моделирования. В этом
случае решение строится в следующей
последовательности:
1) по результатам статистической
обработки данных инструментального
обследования определяются моменты
к-го порядка эмпирических распреде-
лений случайных величин фактических
параметров;
2) проводятся статистические испы-
тания по определению возможной реа-
лизации рассматриваемого критерия
предельного состояния, например, несу-
щей способности. Каждое из таких ис-
пытаний представляет собой расчет не-
сущего элемента по детерминированной
формуле соответствующих норматив-
ных документов. Методом статистичес-
кого моделирования в расчет заклады-
ваются величины фактических пара-
метров (как реализации случайных ве-
личин с известными из опыта законами
распределения);
3) в результате статистических ис-
пытаний получают плотность распреде-
ления вероятности несущей способнос-
ти, которая может быть аппроксимиро-
вана распределением Грамма-Шарлье,
или одной из кривых Пирсона;
4) по результатам обследования
строятся гистограммы внутренних уси-
лий от внешних воздействий, например,
эаяихтныляа яеззмьгагом обследования _ ‘/
определяется суммарна £
го изгибающего момента *в опасном
сечении от постоянной нерав-
номерной осадки опор, времэд®^ на-
грузки х учетом случайного
этих воздействий;
5) проводятся статистические йены-1
тания с целью получения окончательной
плотности распределения внутренних
усилий;
6) определяется вероятность отказа
Рь как сумма условных вероятностей
событий, заключающихся в том, что не-
сущая способность окажется в задан-
ном интервале, а усилие превысит
среднее значение несущей способности
в этом интервале. Поставленная зада-
ча решается на ЭВМ;
7) определяется надежность Ft не-
сущего элемента на момент обследова-
ния по опасному сечению
8) v надежность сооружения Fn по
несущей способности определяется в
зависимости от принятых требований, -
как, например, вероятность безотказной
работы всех п несущих элементов
л-пЧ
1-1
Предложенный вариант перерасчета
основан на предположении, что извест-
на начальная нормативная надежность.
Этот показатель должен назначаться на
основе обобщения данных обследова-
ния однотипных сооружений, т. е. в рам-
ках отраслевой нормативно-техничес-
кой документации. Таким образом,
практическое использование вероят-
ностной схемы перерасчета ограничи-
вается в настоящее время недостатком
информации. Вместе с тем, данный под-
ход является единственной объектив-
ной формой оценки состояния обследуе-
мых конструкций. Для решения прак-
тических задач обследований можно
рекомендовать полувероятностный (е,
частичным использованием данной схе-
мы) или даже детерминированный
152 Глава б. Обследование конструкций и сооружений
----------------------------------?------------------
Таблица 6.1. ПЕРЕЧЕНЬ ПРИЗНАКОВ ФИЗИЧЕСКОГО ИЗНОСА ПЕРЕКРЫТИЯ ИЗ СБОРНОГО
ЖЕЛЕЗОБЕТОННОГО НАСТИЛА
Физический износ, % Признаки износа Примерный состав ремонтных работ
0—-10 Трещины в швах между плитами Текущий ремонт
11—20 Незначительные смещения плит (до 1,5 см) относительно друг друга; местами неровности потолка; отслое- ние выравнивающего слоя Выравнивание поверхности потолка
21—30 Значительные смещения плит пере- крытия относительно друг друга по вы- соте (до 3 см) и неровности потолка; сырые пятна в местах опирания плит на наружные стены Выравнивание поверхности потолка с подвеской арматурных сеток; устройст- во местами цементно-песчаных пробок в пустотах настила на опорной части
31—40 Волосные трещины в пролетах, тре- щины и сырость на плитах в местах опирания Укрепление мест опирания плит, уст- ройство цементно-песчаных пробок в пустотах настила по всей опорной части
41—50 Поперечные трещины в плитах (без оголения арматуры); прогиб не более 1:100 пролета Усиление плит
51—60 Глубокие поперечные трещины в пли- тах с оголением арматуры; прогрес- сирующие смещения плит (более 3 см); прогибы не более 1:50 пролета Усиление плит и мест опирания
.61—70 Повсеместные глубокие трещины в плитах; смещение плит из плоскости с прогибами, более 1:50 пролета Полная замена плит
71—80 Конструкция на грани обрушения, которое местами уже началось Полная замена плит
перерасчет по фактическим показате-
лям с окончательным критерием оценки
состояния конструкций по несущей спо-
собности в соответствии с выражением:
2Х<Ф,
где: ф — несущая способность, как функция гео-
метрических характеристик сечения и прочност-
ных параметров материала; № — расчетные уси-
лия, полученные от нагрузок со своими коэф-
фициентами перегрузок и сочетаний.
Заключение о состоянии конструк-
ций представляет собой краткий отчет,
в котором должны быть отражены ре-
зультаты по всем видам работ обследо-
вания: В ‘заключении указываются при-
чины появления дефектов конструкций
(ведомости всех дефектов прилагают-
ся). Если обследованная конструкция
относится к сооружениям, для которых
существует нормативно-техническая
документация, содержащая методичес-
кие указания по обследованию и оцен-
ке физического износа, то заключение о
состоянии конструкции и рекомендации
по усилению могут быть построены на
основе результатов сравнения парамет-
ров характерных дефектов конструкций
с признаками износа для этих кон-
струкций. Методические рекомендации
по обследованиям типовых конструкций
классифицируют объект обследования
по степени физического износа. Сте-
пень физического износа обследуемой
конструкции с целью удобства обработ-
ки и анализа информации о надежности
и долговечности типовых * конструкций
оценивается в процентах. Так, для об-
следованных конструкций гражданских
зданий состояние дефектных элементов
должно быть- оценено в соответствии
с указаниями, содержащимися в ме-
тодике определения физического износа
6.4. Перерасчет и составление заключения по результатам обследования
153
гражданских зданий. Перечень призна-
ков, по которым дается количественная
оценка физического износа перекрытия
из сборного железобетонного настила
приведен в табл. 6.1.
Поскольку конструктивные решения
сооружений, методы и средства контро-
ля их состояния постоянно улучшаются,
нормативно-техническая документация
по методикам обследования должна
развиваться и дополняться. В связи
с этим, в заключении должны содер-
жаться рекомендации, направленные на
совершенствование критериев коли-
чественной оценки состояния конструк-
ций. Кроме того, информация по резуль-
татам обследования и вероятностного
перерасчета конструкций должна до-
полнить статистическую выборку отка-
зов, необходимую для развития методи-
ки расчета на надежность и долговеч-
ность проектируемых сооружений, а
также для прогноза надежности реаль-
ных конструкций зданий, построенных
по типовому проекту или с применением
аналогичных конструктивных решений.
Итоговым документом обследования
является акт, в котором дается окон-
чательная оценка проектного решения,
качества заводского изготовления стро-
ительных деталей, строительно-мон-
тажных работ, соответствия условий эк-
сплуатации конструкций сооружения
техническим требованиям. На основа-
нии результатов перерасчета в акте
дается заключение о возможности даль-
нейшей эксплуатации сооружения или
необходимости усиления конструкций.
Составление детального проекта усиле-
ния конструкций не является задачей
испытательной группы, проводившей
инструментальное обследование. Одна-
ко рекомендации по техническому реше-
нию усиления должны быть приведены
в акте обследования.
В зависимости от остаточной несу-
щей способности ослабленного элемен-
та техническое решение по усилению
предполагает один из двух возможных
вариантов:
1) применение системы усиления в
качестве основной конструкции;
2) использование существующей
конструкции в качестве основной при
соответствующем ее усилении.
Техническое решение второго вари-
анта усиления может быть построено
на увеличении несущей способности об-
следованной конструкции с изменением
или без изменения расчетной схемы.
В первом случае усиление несущего
элемента не приводит к качественным
изменениям напряженно-деформиро-
ванного состояния в нем. Для усиле-
ния используются железобетонные или
металлические обоймы, железобетонные
рубашки, хомуты и т. д. Во втором
случае старый элемент и конструкция
усиления образуют принципиально но-
вую конструктивную систему. Для уси-
ления устраиваются подкосы, дополни-
тельные стойки, порталы, затяжки и т. д.
По конструктивным соображениям вто-
рой случай представляется более раци-
ональным, однако, возможность его осу-
ществления часто ограничивается осо-
бенностями использования полезных
(производственных) площадей.
ИСПЫТАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ, ЗДАНИЙ
И СООРУЖЕНИЙ
7.1. Основы методики
натурных испытаний
Обследование может включать
в себя этап более углубленного эк-
спериментального исследования несу-
щих конструкций сооружения, который
проводится на заключительных стадиях
обследования с целью получения более
полных данных о действительной работе
конструкции и ее отдельных наиболее
ответственных элементов и узлов. Про-
ведение такого этапа дает в полном
объеме характеристику напряженно-
деформированного состояния конструк-
ции на момент проведения обследо-
вания, а также характер изменения
деформаций и напряжений при прило-
жении пробной нагрузки. Результаты
натурных испытаний при обследовании
сооружения позволяют проконтролиро-
вать данные перерасчета и дать более
обоснованное заключение о состоянии
конструкций. Вместе с тем, круг
вопросов, решаемых при проведении на-
турных испытаний, не ограничивается
задачами обследования. Так, целью
испытаний, проводимых в заводских
лабораториях, является проверка ос-
новных показателей качества изготов-
ления: несущей способности, устойчи-
вости, трещиностойкости и деформа-
тивности конструкций. Эти испытания
проводятся до полного разрушения кон-
струкций.
Натурные испытания новых кон-
струкций проводятся в научно-исследо-
вательских лабораториях. Новизна их
может определяться особенностями ар-
хитектурной или конструктивной фор-
мы, а также использованием новых
-материалов. Эти испытания являются
заключительным этапом научных иссле-
дований. Результаты таких испытаний
имеют определяющее значение в вопро-
сах внедрения научно-технических раз-
работок в практику современного стро-
ительства.
Велика роль натурных испытаний
новых конструкций и для развития ме-
тодов расчета. Экспериментальные ис-
следования на натурных конструкциях
являются главным критерием правиль-
ности расчетной модели. В ходе таких
испытаний уточняются теоретические
предпосылки расчета, в теоретические
формулы вводятся поправочные коэф-
фициенты. Часто расчетные формулы
получаются исключительно на основе
экспериментальных данных. Необходи-
мо отметить, что натурные и заводские
испытания принципиально новых кон-
струкций предполагают проведение под-
готовительных работ, которые сводятся
к внешнему осмотру, изучению техни-
ческой документации, инструменталь-
ным измерениям геометрических пара-
метров конструкций и физико-меха-
нических характеристик материала кон-
струкции. Конструкция создается для
того, чтобы быть разрушенной и поэ-
тому использовать ее следует с мак-
симальной эффективностью. Все мате-
риальные затраты должны компенси-
роваться надежной эксперименталь-
ной информацией. Для этого необходи-
мо установить с наивысшей точностью,
что представляет собой объект до испы-
таний.
С методической точки зрения натур-
ные испытания различаются по трем
основным признакам, характеру внеш-
них воздействий, схеме объектов испы-
таний и задачам, поставленным перед
испытаниями.
По характеру внешних воздействий
различают испытания статической или
динамической нагрузкой. В первом
случае сооружение загружают непод-
вижными нагрузками в определенном
порядке с нарастающим увеличением
этих нагрузок. Динамические испыта-
' 7.1. Основы методики натурных испытаний' 155
ния проводятся при нагрузках, изме-
няющих свои значения во времени
по более сложному закону или меняю-
щих в процессе испытаний свое поло-
жение. Виды динамических нагрузок
и способы их создания рассмотрены в
гл. 2.
По схеме деформирования конструк-
ций можно выделить следующие объек-
ты натурных испытаний: линейные,
плоские, пространственные.
Классифицируя виды натурных ис-
пытаний, целесообразно назвать
и основные задачи, которые определяют
особенности проведения этих испыта-
ний:
установление действительной рас-
четной модели конструкции;
установление влияния дефектов на
работу существующей конструкции с
целью выявления необходимости ее уси-
ления при реконструкции или ремонте;
определение трещиностойкости, де-
формативности и несущей способности
конструкций (натурные испытания до
разрушения).
Выполнение экспериментальных ра-
бот, включающих натурные испыта-
ния, обычно поручаются специальным
лабораториям. Иногда несложные ис-
пытания могут быть выполнены силами
строительных, эксплуатирующих или
изготовляющих организаций.
Работы, непосредственно связанные
с натурными испытаниями и выполняе-
мые после обследования, состоят из:
составления технического задания;
подготовки технической документа-
ции;
подготовки испытываемой конструк-
ции, оборудования и приборов;
проведения испытания;
обработки результатов испытаний.
В техническую документацию вклю-
чают рабочую программу испытаний,
проект испытаний, расчет испытывае-
мой конструкции. Рабочая программа
является основным методическим доку-
ментом натурных испытаний. В рабочей
программе излагаются цели, задачи,
дается рабочая схема испытаний,
указывается величина испытатель-
ной нагрузки, приводятся схемы при-
ложения нагрузки, размещения прибо-
ров, указывается тип измерительных
приборов и измерительной аппаратуры,
приводится методика обработки резуль-
татов испытаний, описываются мёрб-
приятия по технике безопасности.
Главной частью программы являет-
ся описание объекта испытаний. Объек-
тами испытаний могут оказаться один
или несколько элементов конструкции,
часть конструкции, конструкция в це-
лом. Как правило, при статических
испытаниях ограничиваются исследо-
ванием отдельных элементов конструк-
ции, для которых отмечались наиболее
существенные отклонения от проекта,
или предполагаются большие эксплуа-
тационные нагрузки (при реконструк-
ции). Необходимо также учитывать,
в какой степени исследуемый объект
вовлекает в деформирование другие
элементы конструкции, и возможно ли
неучтенное расчетом перераспределение
усилий при испытаниях.
Программу составляют для получе-
ния достоверных результатов испыта-
ний, пригодных для сравнения с проект-
ными данными, для достижения еди-
нообразия в выполнении испытаний,
возможности сопоставления и обобще-
ния результатов испытаний конструк-
ций, проведенных в разное время.
Проект испытаний содержит черте-
жи всех конструкций и приспособ-
лений, необходимых для закрепления и
нагружения конструкции; чертежи уст-
ройств, предохраняющих конструкцию
от полного разрушения и обеспечиваю-
щих безопасность работы персонала. В
проекте испытаний должны быть также
приведены чертежи подмостей для
обследования конструкции во время
испытания, а также чертежи приспо-
соблений по защите конструкций и при-
боров от эксплуатационных нагрузок
и воздействий.
Расчет испытываемой конструкции
выполняется по результатам предвари-
тельного обследования с учетом от-
меченных дефектов в материале, несоот-
ветствия в размерах и других от-
, 156 Глава 7 Испытания конст рукций, зданий и сооружений
клонений от проекта. В результате
расчета определяются деформации, на-
пряжения, перемещения в местах уста-
новки приборов. Данные расчета поз-
воляют проводить сопоставление теоре-
тических и экспериментальных данных
на любом этапе нагружения в ходе
испытаний и после их завершения.
Основной задачей натурных испы-
таний, проводимых в рамках обследо-
вания, является определение действи-
тельных перемещений, деформаций и
напряжений в элементах конструкции
при загружении. В самом общем слу-
чае для решения этой задачи пред-
полагается проведение испытаний в три
этапа: определение полных напряжений
в конструкции до пробных нагруже-
ний; испытание конструкции пробной
нагрузкой малой величины для уточне-
ния расчетной схемы и методики рас-
чета; испытание конструкции пробной
нагрузкой большой величины.
В зависимости от конкретных задач
натурные испытания часто проводятся в
один или два этапа. Однако с методи-
ческой точки зрения, если принимается
решение о необходимости выполнения
последнего этапа, обязательно следует
предусмотреть исследования на первых
двух. Испытания обследуемых конст-
рукций нагрузкой сопряжены с больши-
ми материальными затратами. Они тре-
буют остановки производства и дороги.
Вместе с тем, некоторые наиболее важ-
ные детали этих испытаний, такие как
величина нагрузки, схема нагружения
могут быть уточнены, если воспроизве-
сти предварительно менее трудоемкие
два этапа исследования. Так, если опре-
делить напряжения в опасных сечениях
несущих элементов до нагружения и по-
лучить информацию о характерных точ-
ках диаграммы деформирования мате-
риала о—е, то можно определить дейст-
вительный запас прочности по рассмат-
риваемым сечениям. При приложении к
конструкции пробной нагрузки малой
величины можно уточнить расчетную
схему конструкции.
7.2. Методы определения
полных напряжений
в несущих конструкциях
эксплуатируемых сооружений
Как известно, разрушение кон-
струкции происходит в случае, когда
действительные напряжения в наиболее
опасном сечении превосходят предел
прочности материала конструкции.
Здесь следует иметь в виду, что к
напряжениям от постоянной и времен-
ной нагрузки, как правило, добавля-
ются начальные (остаточные) напря-
жения, которые связаны с особенностя-
ми предыстории нагружения кон-
струкции, технологии ее изготовления
(например, напряжения в зоне свар-
ных швов и прокатном металле,
возникающие при неравномерном осты-
вании металла, температурные напря-
жения, появляющиеся в массивном
бетоне при его разогреве, вызванном
экзотермической реакцией твердения
цемента и т. п.).
Термин «напряжение», широко ис-
пользуемый в строительной науке,
является абстрактным. Не существует
способов непосредственного измерения
напряжений в конструкциях. Собствен-
но о напряжениях судят чаще всего
по деформации или какой-либо другой
косвенной характеристике. Причем, по-
давляющее большинство, способов из-
мерения напряжений позволяют опреде-
лять лишь приращение напряжений, а
не абсолютное их значение. В натур-
ных испытаниях чрезвычайно важным
является вопрос оценки полных напря-
жений:
o = oi -рог-роз,
где <т 1 — напряжения от собственного веса
конструкции; ог — напряжения от полезной на-
грузки; оз — дополнительные (температурные,
усадочные и остаточные в зоне концентра-
торов) напряжения.
Эксперимент по определению полных
напряжений проводится либо как
заключительная операция инструмен-
тальных измерений на первом этапе
обследования, либо как предваритель-
7.2. Методы определения полных напряжений в несущих конструкциях
157
Рис. 7.1. Способ местного определения полных
снятия нагрузки для остаточных напряжений
ное исследование второго этапа — эта-
па натурных испытаний.
Для оценки полных напряжений
широко используется способ местного
снятия нагрузки, который заключается
в том, что исследуемый участок кон-
струкции после установки на него изме-
рительных приборов и снятия началь-
ных отсчетов разгружается. После
разгрузки берутся вторые отсчеты по
приборам и по разности отсчетов судят
о деформациях, а затем и о напряже-
ниях, которые были в данном месте
конструкции.
На рис.7.1 представлена исследуе-
мая область бетона 3 с кольцевым
надрезом 1 и наклеенными на поверх-
ность тензорезисторами 2. Известные
соотношения теории упругости позво-
ляют рассчитать направление нормалей
главных площадок и величину главных
напряжений, если найдены деформации
по трем произвольным направлениям.
Четвертый тензорезистор необходим
для контроля и корректировки вычис-
ленных значений. Необходимо отме-
тить, что точность определения напря-
жений в данном случае существенным
образом зависит от того, как получены
необходимые для расчета значения мо-
дуля упругости и коэффициента Пуас-
сона. Если воспользоваться справочны-
ми данными и определить упругие пос-
тоянные по классу бетона, то точность
оценки напряжений будет очень прибли-
женной. Результаты ультразвуковых
измерений позволяют определить более
точные значения динамических упругих
постоянных. Наилучшие результаты мо-
гут быть получены, если упругие
постоянные определяются при испыта-
ниях выбуренных образцов с построе-
нием диаграмм деформирования о—е.
Следует отметить, что погрешность в
определении деформаций вносит изме-
нение сопротивления при отключении
проводов, подводимых к датчикам,
при устройстве кольцевого надреза с
158 Глава 7. Испытания конструкций, зданий и сооружений
помощью буровых установок. Погреш-
ность устраняется, если кольцевой
надрез устраивается путем высверли-
вания отверстий по контуру кольца.
Однако эта операция технологически
несовершенна, так как требует устра-
нения перемычек между соседними
отверстиями.
В металлических конструкциях коль-
цевой надрез наилучшим образом соз-
дается с помощью тонкой фрезы, на-
саженной на ручную дрель.
Тот же принцип определения пол-
ных напряжений, основанный на снятии
местных напряжений, реализуется в
методах вырезания образца и высвер-
ливания одиночного отверстия. Первый
способ построен на измерении до и
после извлечения образца длин отрез-
ков между предварительно нанесенны-
ми на исследуемый участок метками.
Во втором методе определяется из-
менение диаметра отверстия, высвер-
ленного в исследуемой области, с по-
мощью тензометров, установленных у
контура отверстия. Существуют и дру-
гие способы, построенные на том же
принципе, и применяемые для неко-
торых частных задач.. Однако метод
кольцевого надреза следует считать
наиболее универсальным..
Хорошие результаты дает компенса-
ционный способ измерения сжимающих
напряжений в поверхностных слоях
бетона. Этот способ, в отличие от ме-
тода кольцевого надреза, может быть
использован только при известном на-
правлении главных напряжений.
При определении напряжений ком-
пенсационным методом (рис. 7.2) на
поверхность исследуемой области 3
вдоль направления главных сжимаю-
щих напряжений наклеивают тензоре-
зисторы 1 и, подключив к аппаратуре,
снимают начальные отсчеты. Затем уст-
раивают вырубку — карман 2 глубиной
100 мм. В карман вводится компен-
сатор (рис. 7.3) прямоугольной формы,
представляющий собой закрытую ме-
таллическую коробку с жесткими боко-
выми стенками /, а днищем и крыш-
Рис 7.2 Компенсационный
метод определения полных
напряжений в бетоне
массивных конструкций
кой — в виде гибких мембран. Компен-
сатор заделывается на цементном раст-
воре с плотным заполнением простран-
ства между крышкой и поверхностями
кармана. После затвердения цементно-
го раствора в компенсатор накачивают
масло до тех пор, пока его давление
не приведет к значениям отсчетов по
прибору, подключенному к тензодатчи-
кам, равным начальным. В этот момент
7.3. Уточнение расчетной схемы модели конструкций по результатам испытаний пробными нагружениями 159
измеряют давление масла по манометру
2. Это давление и считается дейст-
вующим в данном месте напряжением
с погрешностью 15—20%. Основное
достоинство метода — отсутствие необ-
ходимости определять модуль упругости
материала испытываемого сооружения.
Кроме того, исключается погрешность
измерений, связанная с отключением
проводов тензорезисторов.
Описанные методы определения пол-
ных напряжений связаны с местным
разрушением исследуемой области эле-
мента. В том случае, когда создавае-
мые в испытаниях дефекты могут ухуд-
шить эксплуатационные свойства эле-
ментов или существует опасность, что
эти дефекты вызовут дальнейшее разру-
шение, следует использовать неразру-
шающие методы. Наиболее обоснован-
ным и апробированным является акус-
тический метод, основанный на законо-
мерностях распространения ультразву-
ковых волн в твердых телах. Для опре-
деления главных напряжений ультра-
звуковым методом необходимо создать
сдвиговые волны, поляризованные в
двух взаимно перпендикулярных плос-
костях. Посылая их в исследуемую сре-
ду и меняя ориентацию плоскостей по-
ляризации, находят направление нор-
малей главных площадок (разность ско-
ростей распространения сдвиговых волн
достигает при этом наибольшего значе-
ния) . Затем определяют упругие посто-
янные материала, также используя
ультразвуковые испытания. Значения
главных напряжений получают из вы-
ражений, включающих в себя относи-
тельную величину разности скоростей
сдвиговых волн и упругие постоянные
материалы.
При обследовании анизотропных не-
однородных материалов (бетон, камен-
ные материалы) использование поляри-
зованных сдвиговых волн для опреде-
ления напряжений предполагает пред-
варительное построение для исследуе-
мого материала градуировочных зави-
симостей, связывающих напряжения по
различным направлениям и изменения
в скоростях сдвиговых волн.
7.3. Уточнение расчетной
модели конструкции
по результатам испытаний
пробными нагружениями
Оценка результатов испытаний
конструкций, предназначенных к эк-
сплуатации, дается на основании дан-
ных, полученных в ходе испытания
нагрузкой, не превышающей расчетную.
В связи с этим, прогнозы в отно-
шении прочности и деформативности
конструкции делаются на основании
расчетов. .Таким образом, эксперимен-
тальное уточнение расчетной модели
конструкции и методики расчета на ос-
нове пробных испытаний является наи-
более важным этапом исследования.
Чрезвычайно актуальна эта задача для
сооружений, подлежащих реконструк-
ции. Изменение технологического про-
цесса в промышленных зданиях часто
сопровождается увеличением времен-
ных нагрузок на несущие элементы
конструкций. В этом случае правиль-
ность проектных решений по рекон-
струкции во многом определяется тем,
насколько точно определены истинные
резервы прочности несущих элементов
здания. Такие неучтенные запасы, как
правило, существуют, так как в практи-
ке проектирования принимаются услов-
ные модели. Большинство упрощений,
допускаемых методикой расчета, идет
в запас прочности конструкций. Так,
условная схема жесткого защемления
стоек рамы цеха одноэтажного пром-
здания приводит к увеличению в за-
пас прочности расчетных моментов в
корневом сечении колонны. Действи-
тельные моменты в верхней части ко-
лонны также меньше расчетных из-за
податливости сопряжения ригеля с ко-
лонной, которое принимается жестким.
Резервы несущей способности вскры-
ваются также при экспериментальных
исследованиях работы рамы в упруго-
пластической стадии.
Упрощенная исходная расчетная мо-
дель рамы не учитывает реально су-
ществующую дополнительную систему
жестких связей, которая также приво-
160 Глава 7. Испытания конструкций, зданий и сооружений
Рис. 7 4 к определению
конструктивной поправки по
изгибающему моменту для
расчетного сечения
неразрезного ригеля
Л
в
дит к снижению расчетных усилий и
перемещений от заданных нагрузок.
Например, мост крана является под-
вижной распоркой, ограничивающей в
определенных пределах относительные
горизонтальные перемещения колонн.
Пространственная работа каркаса зда-
ния обеспечивает жесткость здания в
целом и перераспределение усилий в
несущих элементах конструкции. Про-
веденные исследования показывают,
что уменьшение изгибающих моментов
в результате учета пространственной
работы конструкции цеха может дости-
гать 60%, а действительное перемеще-
ние ригеля в составе пространствен-
ного каркаса может быть на поря-
док меньше рассчитанного для плоской
рамы.
Простейшей экспериментальной
оценкой реальной работы конструкции
является сравнение опытных и теоре-
тических данных о внутренних усилиях,
перемещениях, деформациях и напря-
жениях и вычисление соответствующей
конструктивной поправки, определяе-
мой как отношение значения экспери-
ментального параметра к расчетному.
На рис. 7.4, а представлена схема
испытаний пробной нагрузкой пятипро-
летного ригеля для определения конст-
руктивной поправки к расчетному из-
гибающему моменту в центральном се-
чении среднего пролета. Эксперимент
включает в себя пять случаев за-
гружения ригеля сосредоточенной силой
в центре каждого из пяти пролетов.
В испытаниях определяются значения
экспериментальных деформацияй еэ, из-
меренных с помощью тензорезисто-
ров в наиболее опасных точках се-
чения А, В, С и Д (рис. 7.4,6).
По экспериментальным деформациям
можно найти соответствующие изгиба-
ющие моменты
МА = saEW ; . . . ; MD = &DEW .
э э ’ э э
Результаты обработки эксперимен-
тальных данных для пяти схем загру-
жения позволяют получить четыре
линии влияния изгибающего момента
по каждой из четырех точек. Экспе-
риментальные линии влияния строятся
по ординатам теоретических с введени-
]
<
I
I
л
L
L
п
н
п
ц
т
У
в
л
7.3. Уточнение расчетной схемы модели ко струкцмй по результатам испытаний пробными нагрузками
161
ем коэффициентов конструктивной по-
правки, различной в .каждом пролете.
Полученные четыре линии влияния
позволяют рассчитать условные изгиба-
ющие моменты (эквивалентные по нап-
ряжениям для каждой из 4-х точек ис-
следуемого сечения) от проектной наг-
рузки и определить откорректированные
действительные значения напряжений в
опасных точках сечения.
Такое формальное введение кон-
структивной поправки не раскрывает
физической сущности явления. Однако с
практической точки зрения рассмотрен-
ный подход представляется оправдан-
ным, так как действительные напряже-
ния в опасном сечении могут быть опре-
делены и сопоставлены с расчетными
прочностными характеристиками мате-
риала конструкции.
У ниверсальность конструктивных
поправок определяется тем, что они
могут быть использованы для уточне-
ния расчетных параметров без анализа
причин, повлиявших на неточность ме-
тодики расчета. Однако всегда следует
стремиться к тому, чтобы раскрыть эти
причины. В этом случае результаты
испытаний используются в полной
мере: совершенствуется методика рас-
чета, улучшаются конструктивные ре-
шения сооружений.
В рассмотренном примере неразрез-
ной балки значение исследуемого
параметра — момента в наиболее опас-
ном сечении — зависит от нагрузок,
^приложенных к другим пролетам. В об-
щем случае для пространственной ста-
тически неопределимой конструкции
усилия в каждом несущем элементе
р большей или меньшей степени опреде-
ляются нагрузками и воздействиями
I Зал .30
на другие элементы. Вместе с тем,
нередко при обследовании сооружения
возникает довольно узкая задача —
оценить состояние отдельного конструк-
тивного элемента. Часто это изгибаемый
элемент, в котором обнаружены прв-
реждения, либо предполагаются боль-
шие временные нагрузки (реконструк-
ция здания). В этом случае целесооб-
разно, рассматривать работу элемента с
нагрузкой, приложенной непосредствен-
но на него, уточнив при этом гранич-
ные условия, определяющие связь этого
элемента с другими конструкциями
сооружения. В основе эксперименталь-
ного решения данной задачи лежит ре-
шение обратной задачи строительной
механики: по данным о деформациях
и перемещениях из испытаний элемента
пробной нагрузкой определить исход-
ные данные расчетной схемы. Уточнив
граничные условия, можно рассчитать
напряженно-деформированное состоя-
ние в обследуемом элементе конструк-
ции на * эксплуатационную нагрузку.
На рис. 7.5,а дана схема пробных
испытаний для уточнения расчетной
модели Изгибаемого в одной плоскости
элемента 2, выделенного из сложной
пространственной схемы конструкции
сооружения. В практике проектирова-
ния такой независимый расчет отдель-
ного элемента встречается довольно
часто и в определенных случаях
вполне корректен (ригель при жестких
стойках, плиты перекрытия и т. д.).
Неточность расчета определяется идеа-
лизированными условиями закрепле-
ния — жесткая заделка или шарнирная
опора. На практике же всегда имеет
место либо не совсем жесткая заделка,
допускающая некоторую податливость,
либо шарнирная опора с элементом
защемления, йзгибная жесткость £1
162
Глава 7. Испытания конструкций, зданий и с<юрджвн1&
элемента непостоянна па его длине,
в особенности для дефектных конструк-
ций (типичный при обследованияхслу-
чай). Указанные причины приводят
к большим расхождениям в значениях
действительного и расчетного пролетно-.
го изгибающего момента, определяю-
щего несущую способность и трещино-
стойкость элемента. Уточнение расчет-
ной модели однопролетного изгибаемо-
го элемента лучше всего проводить
в ходе испытаний пробной сосредото-
ченной нагрузкой, приложенной в сере-
дине пролета. В этом случае при
минимальнойсуммарной нагрузке будут
создаваться максимальные усилия и
перемещения. В испытаниях следует
получать информацию о перемещениях
или углах поворота, как минимум
в трех точках. Полезными, но не обя-
зательными, будут данные о деформа-
циях в опорных и пролетном сечениях.
Для коротких жестких балок рекомен-
дуется определять осадку опор. Для по-
лучения необходимой информации реко-
мендуется установить прогибомер 3
в центре балки там, где прогибы
максимальны, и два клинометра / у
опор для непосредственной оценки
степени податливости опор.
Для определения трех неизвестных
(Мл, Мв, EI) по экспериментальным
данным о прогибе f, углах поворота
а,р (рис. 7.5, б) при соответствующем
значении усилия Р необходимо решить
систему уравнений, каждое из которых
является выражением. для прогиба
или" угла поворота соответствующей
задачи строительной механики: '
/ А4Л/ MgK
a^ap-\ зя+’®7 х
/ MJ MJ\.
где ctp, pp, ff — углы наклона и прогиб от
заданной нагрузки в шарнирно опертой балке.
Для рассматриваемой схемы нагру-
жения
ар^ЯР/16Е/-, рр = а|>;/р=Р/3/48£7.
Если во время испытаний дополни-
тельно были определены деформации е в
опорных сечениях, то значения изги-
бающих опорных моментов, полученные
' из решения системы (7.1), могут быть
уточнены:
M^cEl/H?
где «л, вд, ес — деформации в точках А, В, С;
НА, Нв, №с—высота сечения элемента; Мс —
изгибающий момент в сечении, в середине
пролета.
Окончательные результаты расчетов
с использованием данных эксперимента
могут быть введены в исходную
расчетную модель в форме коэффициен-
тов опорных моментов, показывающих,
во сколько раз соответствующие дей-
ствительные опорные моменты меньше
определяемых расчетом для задачи с
абсолютно жесткими опорами. Необхо-
димо отметить, что податливость в за-
делке, а, следовательно, значения коэф-
фициентов в общем случае зависят от
уровня нагружения. При малых наг-
рузках опора может быть более подат-
лива. Возможен и обратный вариант,
когда жесткость в заделке ослабевает в
результате пластических подвижек на
опорах в зонах контакта с изгибаемым
элементом. Сдучай образования пласти-
ческих шарниров на опорах не рассмат-
ривается» таккакуточнение расчетной
Схемы проводится для задачи в упругой
постановке^ Таким образом, для пра-
вильного назначения коэффициентов
опорных моментов от расчетных или
нормативных Проектных нагрузок экс-
перимент с пробными нагрузками надо
, повторить несколько раз при различных
значениях сосредоточенной силы и по-
лучить таким образом функцию коэф
финдонтов рцорных моментов от абсо-
этих моментов.
несущие элементы об-
рабаташ в ус-
7.4. Методика статических испытаний 163
ловиях сложнонапряженного состоя-
ния. В этих случаях для уточнения
расчетной модели пользуются данными
об экспериментальных деформациях,
полученных с помощью тензорозеток.
На рис. 7.1 показана прямоугольная
тензорозетка. Если в ходе испытаний
пробной нагрузкой получены деформа-
ции 8о, 645, еоо по трем направлениям,
то экспериментальные главные напря-
жения Gmaxtmin) и направление а нор-
малей главных площадок рассчитывают
по формулам теории упругости:
t g2a = (2845 — 6о — 69o)/(eo — бэо);
£ max (е0 е9о)/^—
±-\/2"д/(ео е4б) + (845 89о) /2’
а = £ / е Lie . \ /(1 — и2) •
max I max 1 r mm j'x r /
min \ min max /
7.4. Методика
статических испытаний
Важным вопросом методики
натурных испытаний является выбор
рабочей схемы испытаний. Рабочей схе-
мой называют статическую расчетную
схему, которая реализуется при испы-
тании. Для обследуемой конструкции
выбор расчетной схемы натурных испы-
таний ограничен только вариантами
нагружения. И здесь иногда ошибочно
полагают, что рабочая схема испытаний
должна в точности соответствовать рас-
четной модели, принятой в проекте.
Однако вполне достаточно, чтобы на-
грузки, приложенные в процессе испы-
таний, вызывали бы такие же пере-
мещения и внутренние усилия, какие
6*
имеют место при наиневыгоднейшем
сочетании проектной нагрузки. Следует
напомнить, что равномерно распреде-
ленная временная нагрузка, принимае-
мая в расчетах, является абстракцией.
По форме распределения она сущест-
венно отличается от действительной,
но эквивалентна ей. Эквивалентна по
изгибающему моменту, поперечной или
нормальной силе, прогибам, которые
возникают в конструкции от действия
на нее реальной нагрузки, случайной
по схеме расположения и величине.
Таким образом, нет никакого смысла в
том, чтобы полностью полагаться в ис-
пытаниях на проектную нагрузку, сле-
дует лишь найти эквивалент этой на-
грузки по внутренним усилиям или
перемещениям. По форме и схеме
приложения эквивалентная испытатель-
ная нагрузка должна отвечать требо-
ваниям удобства контроля, экономич-
ности и простоты проведения экспери-
мента. При проведении испытаний необ-
ходимо стремиться к тому, чтобы коли-
чество грузовых устройств и число их
перестановок были минимальны.
Особое место в рабочей схеме долж-
но быть отведено дополнительным ме-
роприятиям по обеспечению устойчи-
вости. Потеря устойчивости конструк-
ций при проведении натурных испыта-
ний часто не отражает действительной
работы конструктивного элемента по
проекту, а является специфической осо-
бенностью самих испытаний. Потеря
устойчивости возможна, например, при
испытании ферм во время обследо-
вания несущих конструкций строящего-
ся сооружения, когда заключительные
работы по монтажу покрытий еще не
завершены. Устойчивость элементов
сжатого пояса должна быть обеспечена
установкой дополнительных креплений,
исключающих возможность отклонения
сжатых поясов в горизонтальном на-
правлении. Могут оказаться перегру-
женными и потеряют устойчивость сжа-
тые стойки и раскосы фермы, если
при испытаниях распределенная по
всем узлам верхнего пояса нагрузка
заменяется более экономичной экви-
164 Глава 7. Испытания конструкций, зданий и соо ружений
валентной, сосредоточенной в несколь-
ких узлах. В этом случае также должно
быть предусмотрено дополнительное
раскрепление, временное усиление или
частичное распределение сосредоточен-
ной нагрузки в узлы верхнего и ниж-
него пояса.
При проведении приемочных испы-
таний, заводских или на строительной
площадке, загружение конструкции
происходит на специально оборудован-
ных временных или стационарных стен-
дах. В рабочей схеме испытаний рас-
сматриваются и вопросы условий
опирания и положения конструкции
при испытаниях (рабочее, поворот на
90° или на 180°). Если конструкция
испытывается не в рабочем положении,
например, ферма в горизонтальной
плоскости, то йеобходимо преду-
смотреть меры, исключающие возник-
новение больших усилий в процессе
монтажа конструкции при подготовке
к испытаниям.
При выборе схемы опирания в
испытаниях следует помнить о том,
что граничные условия в действитель-
ности всегда отличаются от идеализи-
рованных расчетных, поэтому испыта-
ния элемента конструкции рекомендует-
ся проводить в условиях простейшей
схемы опирания — шарнирной с под-
вижной опорой. Результаты испытаний
следует сравнивать с показателями,
рассчитанными именно, для этой схемы
опирания. На рис. 7.6 представлен
один из вариантов технического реше-
ния шарнирной опоры балки 5. Каток
4 шарнирной опоры может быть цель-
ностальным или трубчатым с бетонным
заполнителем диаметром до 100 мм.
Толщина листа стальных прокладок
2 — 20—40 мм. На неподвижной опоре
каток 1 приваривается к прокладке.
Роль ограничителей выполняют прива-
ренные арматурные стержни 3. При ис-
пытании плит, работающих в двух
направлениях, для обеспечения поворо-
та на опорах, свободных горизонталь-
ных перемещений опор относительно
друг друга и неподвижности плиты в
Рис 7.6. Схема шарнирного
опирания конструкций
с подвижной опорой
Рис. 7.7. Загружение
разрезной плиты
целом в горизонтальном и вертикальном
направлениях используется система
опор, включающая катки, подвижные й
неподвижные шаровые опоры.
Перед проведением эксперимента
необходимо установить величину испы-
тательной нагрузки и область конструк-
ции, к которой она прикладывается.
По величине испытательная нагрузка
должна быть эквивалентна по внутрен-
ним усилиям или перемещениям проект-
ной нагрузке. В соответствии с методи-
кой расчета по предельным состояниям,
выбирая величину испытательной на-
грузки, следует ориентироваться на про-
ектные значения расчетной и норматив-
7.4. Методика статических испытаний
165
ной нагрузки. При этом в зависимости
от задач испытаний (заводские испы-
тания, приемочные, эксплуатационные,
аварийные) и вида конструкции испы-
тательная нагрузка по величине может
быть:
частью нормативной нагрузки (при
уточнении расчетной модели несущего
элемента);
полной временной нагрузкой в одном
из сочетаний (испытания конструкций
I и III категорий трещиностойкости
для проверки условий наступления вто-
рого предельного состояния);
суммой нормативной временной на-
грузки и веса недостающих частей зда-
ния (испытания в период возведения
здания);
расчетной временной нагрузкой
(приемочные испытания уникальных
конструкций особого назначения);
больше расчетной (приемочные ис-
пытания с перегрузкой сосудов дав-
ления) ;
разрушающей (заводские испыта-
ния серийно выпускаемой конструк-
ции).
Схема загружения конструкции
должна обеспечить возникновение в ис-
следуемых элементах необходимых на-
пряжений и деформаций. Однако при
этом следует учитывать реальные воз-
можности и планируемую стоимость
испытаний. Стоимость, трудоемкость
и продолжительность испытаний могут
быть существенно уменьшены при раци-
ональном расположении нагрузки на
сооружении.
Схема распределения нагрузки и вид
загрузочных устройств определяются,
главным образом, тем, находится ли
обследуемая конструкция в рабочем
положении (элемент построенного, эк-
сплуатируемого здания, сооружения в
аварийном состоянии) или же конструк-
ция испытывается на заводе, в лабора-
тории, на стройплощадке. В первом
случае процесс загружения несущего
элемента в составе пространственной
конструкции представляет собой наи-
более трудоемкую и длительную проце-
дуру. В этом случае рекомендуется
поставить перед испытаниями предель-
но конкретную задачу (после прове-
дения первого этапа обследования
обычно это возможно сделать). Сле-
дует указать, какие именно области
несущей конструкции предполагается
проверить пробной нагрузкой, т. е.
создать в них пробные усилия. В таких
испытаниях предполагается переход от
проектной равномерно распределенной
нагрузки к эквивалентной сосредоточен-
ной или полосовой испытательной на-
грузке.
Испытание сосредоточенными на-
грузками позволяет существенно сокра-
тить время эксперимента, уменьшить
величину общей нагрузки, а следова-
тельно, снизить трудоемкость, обеспе-
чить наилучший контроль за величиной
нагрузки и исследуемыми параметрами.
Рассмотрим некоторые примеры рацио-
нальных схем приложения пробной
нагрузки при испытании несущих
элементов конструкций.
Пример 1. Испытание плит на на-
грузку, эквивалентную проектной по
изгибающему моменту и прогибу.
При испытании свободно опертых
на две стороны плит 1 проектной
равномерно распределенной нагрузкой
можно загрузить участок 5, равный
трем длинам плит (рис. 7.7). В этом
случае центральное продольное сечение
в средней по длине L зоне восприни-
мает наибольший изгибающий момент
(там же будет и максимальный про-
гиб). Увеличение зоны распределения
нагрузки на большую длину L> 31 не-
целесообразно, так как это не приводит
к возрастанию момента и прогиба.
Если заменить равномерно распреде-
ленную проектную нагрузку полосовой
2, можно снизить в 2 раза значение
нагрузки в целом при эквивалентности
по изгибающему моменту, так как
^пР=^2/8; Мисп=Р//4; и при Мисп =
=Л4ПрР = ^//2,
где МПР — проектный момент от равномерно рас-
пределенной нагрузки; — момент от испыта-
тельной нагрузки; q — проектная нагрузка; Р —
полосовая нагрузка на 1 м длины полосы.
166 Г лава 7. Испытания конструкций, зданий и сооружений
Аналогичные расчеты показывают,
что если контролируемой величиной
служит максимальный прогиб, то пере-
ход от равномерно распределенной на-
грузки к эквивалентной полосовой поз-
воляет снизить нагрузку в 1,5 раза.
Минимальная ширина полосы ограни-
чивается лишь прочностью материала
плиты на продавливание.
Пример 2. Испытания многопролет-
ной неразрезной балки.
На рис. 7.8, а изображена схема
многопролетной неразрезной балки. Ли-
ния влияния изгибающего момента в
центре исследуемого пролета балки
между опорами А и В (рис. 7.8, б)
показывает, что вклад проектной вре-
менной нагрузки (рис. 7.8, в), прило-
женной в крайних пролетах, незначи-
телен. Поэтому, если заменить при
испытаниях проектную схему нагрузки
на эквивалентную (рис. 7.8, г), то мож-
но снизить суммарную величину нагруз-
ки на 25—40%, в зависимости от
соотношения длин пролетов. Эффектив-
ность снижения величины испытатель-
ной нагрузки для эквивалентной по мо-
менту схемы загружения (рис. 7.8, д)
оценивается 60—70%. Переход в испы-
таниях от проектной схемы распределе-
ния временной нагрузки (рис. 7.8, в)
к эквивалентной сосредоточенной (рис.
7.8, е) дает возможность подучить
выигрыш в суммарной величине нагруз-
ки испытаний приблизительно в 10 раз.
Цеобходимо отметить, что окончатель-
ная величина испытательной нагрузки
по схеме (рис. 7.8, е) должна быть
выбрана в ходе предварительных испы-
таний по уточнению исходных расчет-
ных данных. Задача этих испытаний
заключается в том, чтобы опреде-
лить действительную линию влияния
момента для данной конструкции. Пред-
варительные испытания проводятся при
малых величинах пробных нагрузок
и не требуют установки дополнитель-
ных измерительных приборов.
Пример 3. Испытания стропильной
фермы.
При расчетах фермы (рис. 7.9, а)
на прочность, трещиностойкость и де-
Рис. 7.8.К испытанию
многопролетной неразрезной
балки
формативность предполагается воздей-
ствие временной проектной нагрузки
в двух вариантах (рис. 7.9, б, в). Точная
имитация этих вариантов нагружения
в натурных испытаниях не представ-
ляется рациональной. Анализ линий
влияния усилий в основных панелях
фермы показывает, что эквивалентные
схемы с нагрузкой, прикладываемой по
двум узлам фермы вместо пяти, позво-
ляют достаточно точно исследовать
действительную работу конструкции.
На рис. 7.9, г, д, е показаны эк-
вивалентные испытательные нагрузки.
Отметим, что в данном примере суммар-
ные нагрузки для проектной и эквива-
лентной схем близки друг к другу.
Вместе с тем, эквивалентная схема эко-
номичней по трудозатратам и удобна
для контроля за величиной испытатель-
ной нагрузки. Помимо этих преиму-
ществ в испытаниях по эквивалентной
схеме с двумя точками приложения
больших усилий будет оправданным ис-
пользование натяжных устройств вза-
мен подвешенных грузов.
При проведении стендовых испыта-
ний, когда конструкция испытывается
в лабораторных условиях, необходи-
7.4. Методика статических испытаний , 167
При проведении статических испы-
таний необходимо предусмотреть ра-
циональное размещение приборов. При-
боры устанавливаются для получения
информации о характере деформирова-
ния и повреждениях, вызванных прило-
жением нагрузки определенной величи-
ны. Деформативные свойства исследуе-
мой конструкции могут быть оценены
по данным о перемещениях, углах
поворота и деформациях в отдельных
ваются в зонах с наибольшими ожи-
даемыми значениями деформаций, пере-
мещений, на участках возможных
разрушений. Количество приборов, не-
обходимых для исследования опреде-
ленной области конструктивного эле-
мента, зависит от типа приборов, тре-
буемой точности результатов, конкрет-
ных задач эксперимента. Так, для из-
мерения максимальных прогибов изги-
баемого элемента (рис. 7.10) требуемся
168 Глава 7 Испытания конструкций, зданий и сооружений
установить три прогибомера — один 2 в
середине пролета и два 1 и 3 на
опорных участках, что позволяет исклю-
чить влияние деформаций проволоки
и учесть осадку или обмятие опор,
причем
f = c-(a + b)/2.
После обработки данных прогибо-
меров для трех точек балки, можно
определить перемещение, вызванное
только деформацией балки, то есть
именно то значение, которое следует
сравнивать с расчетным прогибом.
При незначительных прогибах эле-
мента и малых осадках опор воз-
можно использование одного индикато-
ра часового типа. В испытаниях арок
прогибомеры устанавливаются в пяти
точках. В отличие от балок к трем
прогибомерам, на опорах и в пролете,
добавляются еще два в четвертях
пролета.
При проведении испытаний плит и
оболочек количество приборов для
определения перемещений определяется
числом рассматриваемых сечений, после
чего задача сводится к измерению
перемещений в образованных сечения-
ми условных балках и арках.
При испытаниях стоек устанавли-
ваются шесть прогибомеров или инди-
каторов — по три на двух гранях
в крайних и среднем сечениях. Для
крайних сечений измерить перемещение
в горизонтальном направлении часто
не представляется возможным, поэтому
допускается измерение перемещений
под углом, т. е. проекций горизон-
тальных перемещений (рис. 7.11).
Если прогибомеры или индикаторы
используются для регистрации дефор-
маций сдвига, то количество и место
их расположения будет иным. Так,
для определения деформаций сдвига
в деревянных конструкциях (рис. 7.12)
необходимы два прогибомера, распо-
ложенные близко друг к другу.
Для балок с переменной жесткостью
необходимо получить кривую прогибов
по всей длине пролета. В этом случае
количество используемых приборов уве-
горизонтальных
перемещений
Рис. 7 11. Вариант
установки прогибомеров
для определения
личивается. Таким образом, количество
приборов для измерения перемещений,
их тип и место расположения зависят
от конкретной экспериментальной зада-
чи.
Для измерения деформаций исполь-
зуются тензометры. Они устанавли-
ваются в зонах объекта, где возни-
кают наибольшие внутренние усилия.
Размещение приборов для измерения
деформаций, их количество и тип, так
7 4. Методика статических испытаний 169
же, как и в случае измерения пере-
мещений, зависит от задач и условий
эксперимента.
В железобетонных балках симмет-
ричного сечения тензометры устанавли-
ваются в наиболее опасных зонах
(Опорные и пролетные) по верхнему и
нижнему поясу. Для балок сложного
сечения или же при совместном дей-
ствии нормальной силы и изгибающего
момента рекомендуется получить ин-
формацию еще и в нескольких точках
по высоте сечения. Тензометры уста-
навливаются на бетон в сжатой зоне
и на арматуре в растянутой (в пос-
леднем случае, как правило, исполь-
зуются тензорезисторы).
Если по проекту предполагается,
что несущий элемент работает на цен-
тральное сжатие или растяжение, при-
боры для измерения деформаций уста-
йайливаются по осям симметрии сече-
нйй. При экспериментальном определе-
нии деформаций необходимо учитывать
возможную неоднородность распреде-
ления деформаций по длине исследуе-
мой области. Отправной точкой для
оценки неоднородности, вызванной
имеющейся либо приобретенной анизо-
тропией физико-механических свойств,
сЛужит величина осредненного относи-
тельного удлинения или укорочения.
Индикаторы, установленные на торцах
конструкции или у ее концов, позволя-
ют определить общее перемещение и
Вычислить осредненную деформацию.
При исследовании зоны конструкции
с проектной концентрацией напряже-
ний деформации должны быть измерены
на малой базе и в нескольких близко
расположенных друг к другу точках.
Решить эту экспериментальную задачу
можно с помощью цепочек малобазных
фольговых тензорезисторов (см. гл.З).
При испытаниях в условиях плоско-
напряженного состояния устанавлива-
ются тензорозетки, включающие в себя
четыре тензорезистора для каждой рас-
сматриваемой точки (см. рис. 7.1). В
испытаниях массивных конструкций при
неизвестной ориентации главных пло-
щадок в каждой точке необходимо уста-
новить минимум шесть струнных тензо-
метров.
При рассмотрении вопросов, свя-
занных с приборным обеспечением на-
турных испытаний, необходимо учиты-
вать, что практически всегда при нагру-
жении конструкции в большей или мень-
шей степени имеют место процессы
деструкции строительного материала.
Акустические методы наиболее точно и
полно раскрывают особенности процес-
са постепенного разрушения материала
чпод нагрузкой. Ультразвуковой импуль-
сный метод и метод акустической эмис-
сии позволяют зарегистрировать даже
самые незначительные структурные из-
менения в строительном материале при
нагружении, а так как всегда микро-
разрушения предшествуют макрораз-
рывам, то регистрируя малые наруше-
ния сплошности, возможно предсказать
уровень статической нагрузки, при
которой начнется образование кон-
тролируемых силовых трещин. Трудно
преувеличить важность такой информа-
ции для статических испытаний. Часто
перед статическими испытаниями ста-
вится задача определить действитель-
ную границу наступления предельных
состояний, но при обследовании эксплу-
атируемых сооружений испытательная
нагрузка не должна доходить до этих
границ. Данные акустических измере-
ний позволяют в испытаниях подойти
к предельному состоянию достаточно
близко и с большой точностью пред-
сказать величину критической нагрузки.
Кроме того, даже если в ходе
статических испытаний предполагается
достижение предельных состояний, то
точность экспериментального определе-
ния критических нагрузок этих состоя-
ний существенно повышается с привле-
чением акустических методов. Так, при
натурных испытаниях железобетонного
элемента с трещиной два датчика
акустической эмиссии, поставленные у
вершины трещины, регистрируют появ-
ление характерных импульсов при на-
грузках, в среднем на 15% меньших
уровня прорастания этой трещины.
Установка двух датчиков-пьезопреоб-
170 Глава 7. Испытания конструкций. зданий и сооружений
разователей необходима для фильтра-
ции посторонних шумов. Регистрирую-
щий прибор фиксирует сигнал только
с определенной временной задержкой
тц, соответствующей разности расстоя-
ния от датчиков до вершины трещи -
ны
T1.S = Z| —<2,
где ti, /г —время прихода сигнала к каждому
из датчиков.
Трещиностойкость изгибаемого же-
лезобетонного элемента обычно уста?
навливается по моменту появления не-
линейности в зависимостях деформа-
ция — нагрузка, прогибы — нагрузка.
Определение действительной границы
трещинообразования изгибаемого же-
лезобетонного элемента 2 будет прове-
дено с большей точностью, если в рас-
тянутой зоне регистрируется время про-
хождения ультразвукового импульса.
Для этого следует установить в этой
зоне два датчика, излучатель 1 —
приемник 4 (рис. 7.13). и подать сиг-
нал на измерительный прибор 3.
Подобный перечень примеров рацио-
нального приборного обеспечения мож-
но было бы продолжить. В каждом
Случае необходимо провести анализ
специфических особенностей, характер-
ных для конкретного примера, поэтому
в плане рекомендаций могут быть
высказаны только самые общие поло-
жения:
размещая приборы, необходимо пре-
дусмотреть дублирование информации;
в испытаниях должны быть полу-
чены данные по аналогичнымприборам,
установленным в малодеформйруемых,
однородно деформируемых, недеформи-
руемых участках;
эффективность испытаний опреде-
ляется рациональной схемой расста-
новки минимального количества при-
боров.
Статические испытания проводятся
после того, как получены асе данные
первого этапа обследования, по кото-
рым выполнен перерасчет конструкции
по предельным состояниям, определены
теоретические значения контролируе-
Рис. 7.13. Схема размещения определении момента
ультразвуковых трещинообразования
пьезопреобразователей при
мых в испытаниях параметров. Непо-
средственно перед испытаниями прово-
дится подготовка поверхности объекта.
На расстоянии~5 мм от трещины вдоль
ее траектории наносятся линии, види-
мый конец трещин отмечается засеч-
кой. Проводятся мероприятия по обес-
печению сохранности приборов во время
испытания и защите их от воздействий
окружающей среды. Подготовленную к
испытаниям конструкцию необходимо
загрузить нагрузкой до 20% от пре-
дельной в испытаниях и по приборам
проверить центровку нагрузки, после
чего конструкцию разгружают и выдер-
живают в течение суток. В день
испытаний на первом этапе нагружений
снятые по приборам отсчеты сравнива-
ют с данными пробного нагружения.
Приборы, давшие различные показа-
ния, заменяют либо отмечают как
дефектные. Загружение конструкции
проводится поэтапно. Ступени нагруже-
ния устанавливаются в зависимости от
задач испытаний в пределах 0,05—
0,5 от критической расчетной испыта-
тельной нагрузки. Допускается прове-
дение испытаний с неодинаковыми сту-
пенями нагружения.
Отсчеты по приборам снимаются на
каждом Этапе нагружения сразу же
после приложения нагрузки и несколь-
ко раз на выдержке нагрузки. Выдерж-
ка нагрузки Прекращается, когда после-
дующие отсчеты по всем приборам ока-
зываются равными предыдущим. Ис-
ключение составляют приборы, регис-
трирующие акустическую эмиссию, так
как на последних ступенях нагружения
процесс микротрещинообразования в
бетоне не прекращается.
I
7.4. Методика статических испытаний 171
Показания приборов фиксируются
в журнале испытаний. Форма ведо-
г мостей результатов измерений различ-
ных параметров должна иметь графы
с теоретическими значениями измеряе-
мого параметра, а также колонки, в
которых производится полевая обра-
ботка показаний приборов. При испы-
таниях в натурных условиях большое
значение приобретает полевая обра-
ботка информации по акустической
эмиссии. Относительные значения па-
раметров суммарного числа импульсов
или же суммарной энергии эмиссии
на этапах загрузка — выдержка позво-
ляют с большой точностью предсказать
уровень разрушающей нагрузки и во-
время остановить испытания. Поэтому в
ходе испытаний обработанные данные
акустической эмиссии следует заносить
в журнал испытаний и постоянно ин-
формировать о них руководителя испы-
таний. Если в начале испытаний об-
наруживаются большие расхождения
экспериментальных и теоретических
данных, то испытания могут быть
приостановлены для исправления по-
грешностей в работе приборов и не-
точностей в системе нагружения.
После каждого этапа нагружения
проводят осмотр поверхности железобе-
тонной конструкции. Для обнаружения
вновь появившихся трещин и реги-
страции увеличения длины трещин,
образовавшихся ранее, рекомендуется
протирать исследуемый участок быстро
испаряющейся жидкостью. При этом
трещины будут наблюдаться как темные
линии, так как испарение жидкости,
попавшей в трещину, происходит мед-
леннее. Все обнаруженные трещины
отмечаются на схемах, в журнале
испытаний, а также краской на по-
верхности конструкции. Линию прово-
дят вдоль трещины на небольшом рас-
стоянии от нее. Видимый конец трещин
отмечается засечкой, перпендикулярной
траектории распространения трещины
на каждом этапе нагружения. Ширина
раскрытия трещин регистрируется с по-
мощью лупы или микроскопа.
Продолжительность испытаний за-
висит, в основном, от времени выдержки
конструкции под нагрузкой на каждой
ступени нагружения. Так* деформации
деревянных конструкций стабилизиру-
ются медленнее в сравнении сбетон-
ными, а для последних это вршй
значительно больше, чем для метал-
лических. Средняя продолжительность
испытаний для конструкций из различ-
ного материала составляет для метал-
лических конструкций 15—20 мин, для
железобетонных — 4—6 ч, для деревян-
ных — 24—30 ч.
Если испытания конструкций прово-
дятся не до полного разрушения, то
отсчеты по приборам производятся
после разгрузки конструкции и вторич-
но через период времени, равный про-
должительности испытаний.
При проведении испытаний до раз-
рушения при нагрузке 0,8 от предель-
ной с конструкции снимаются приборы,
которые могут быть повреждены, при
этом должны соблюдаться требования
техники безопасности.
Руководитель эксперимента несет
персональную ответственность за орга-
низацию работ в соответствии с требо-
ваниями техники безопасности. Все
участники эксперимента должны пройти
вводный инструктаж и инструктаж
по технике безопасности на рабочем
месте, в ходе которого обязательно
ознакомление с действием загружаю-
щих устройств. При испытании стати-
ческой нагрузкой не допускается на-
хождение посторонних лиц на терри-
тории испытаний. При проведении дли-
тельных испытаний во время отсутствия
представителей испытательной группы
на ограждении территории испытаний
должны быть вывешены надписи, преду-
преждающие, что конструкция находит-
ся под нагрузкой и подход к ней
опасен для жизни.
Лица, проводящие обследования на
высоте более 1,5 м, должны быть снаб-
жены специальными поясами. К работе
на высоте более 5 м допускаются лица,
прошедшие медицинскую комиссию.
В зданиях с агрессивными твердыми
или жидкими средами обследование
172 Глава 7 Испытания конструкций, зданий и сооружений
конструкций, расположенных выше
уровня глаз, разрешается только в
защитных очках.
При работе с мостового крана не
допускается выход за ограждения про-
ходной дорожки. Работой крана руко-
водит специально обученный человек,
который отвечает за безопасность ра-
бот.
При проведении обследования в
зонах сооружений, где возможно содер-
жание токсичных веществ, состав груп-
пы должен быть не менее трех-четы-
рех человек при обязательном нахож-
дении одного из них (наблюдателя)
в безопасном месте.
Работы в подземных выработках,
коммуникационных тоннелях произво-
дятся в присутствии представителей
газоспасательной службы. При обсле-
довании конструкций в аварийном со-
стоянии необходимо предусмотреть ме-
роприятия по временному усилению.
При проведении испытаний нагруз-
кой необходимо устройство страховоч-
ных подмостей, способных воспринять
на себя массу конструкции при ее вне-
запном обрушении. Грузовые платфор-
мы должны быть надежны. При испы-
таниях они располагаются на неболь-
шом расстоянии над полом, в зазор
вставляются клинья, позволяющие при
необходимости быстро разгрузить кон-
струкцию. Все страховочные устройства
должны обеспечивать возможность
свободной деформации конструкции.
Работы, связанные с установкой и
подключением приборов, загружением
конструкций, необходимо согласовы-
вать с ответственным за эксплуатацию
обследуемого участка сооружения, а
также с руководителем цеха.
В испытаниях рекомендуется ис-
пользование приборов и механизмов
для нагружения и регистрации инфор-
мации с дистанционным управлением,
т, е. вынесением пункта управления
в безопасное место. Так как в ходе ис-
пытаний обязательно предусмотрено
временное нахождение членов испыта-
тельной группы в непосредственной
близости от конструкции, необходимо
устройство навесов для предохранения
от падения предметов и кусков мате-
риала конструкции. Во время испы-
тания все указания о загрузке и сня-
тии показаний должны поступать толь-
ко от руководителя испытаний.
Анализ результатов статических ис-
пытаний Является наиболее ответст-
венным завершающим этапом обследо-
вания сооружения. При проведении
натурных испытаний необходимо учи-
тывать то, что после испытаний экс-
плуатационное состояние конструкции
не должно ухудшаться, поэтому испы-
тательная нДгрузка для эксплуатируе-
мых сооружений устанавливается (за
редким исключением) меньше расчет-
ной величины. Для конструкций III
категории трещиностойкости испыта-
тельная нагрузка может быть принята
равной величине нормативной нагруз-
ки. Вместе с тем требуется, чтобы на
основании результатов испытаний были
определены критические нагрузки I и
II предельных состояний. Отметим, что
результаты испытаний позволяют лишь
с большей или меньшей степенью при-
ближения сделать прогноз относитель-
но предельных для обследуемой кон-
струкции нагрузок. Предельная испы-
тательная нагрузка на эксплуатируе-
мые конструкции назначается ориенти-
ровочно. В связи с этим, большое
значение имеют результаты полевой
оперативной обработки информации.
В ходе полевой обработки получают
данные о первых незначительных при-
знаках разрушения (появление пласти-
ческих деформаций в отдельных зонах,
увеличение интенсивности трещино-
образования). Часто практикуется гра-
фическая полевая обработка с по-
строением зависимостей деформация —
нагрузка, перемещение — нагрузка, ин-
тенсивность акустической эмиссии —
нагрузка. Изменение этих параметров
регистрируется также в зависимости
от времени на этапе выдержки на-
грузки.
После окончания испытаний прово-
дится камеральная обработка показа-
ний приборов. Цель камеральной об-
7.4. Методика статических испытаний 173
работки — получить информацию о
характере деформирования конструк-
ций в процессе нагружения. Для этого
в табличной и графической форме об-
рабатываются данные по всем установ-
ленным на испытываемом объекте при-
борам, составляются сводные карты
трещинообразования по всем этапам
нагружения. Эти экспериментальные
результаты сравниваются с теорети-
ческими, полученными по уточненной
при обследовании методике.
Универсальных рекомендаций по
оценке предельных состояний на осно-
вании результатов испытаний быть
не может. В каждом конкретном случае
предельные нагрузки зависят от инди-
видуальных особенностей конструкции,
вида напряженного состояния, дефор-
мативных свойств строительного мате-
риала. Однако при постановке испы-
таний требуется заранее знать вели-
чину нагрузки, которую нельзя превы-
шать. Опыт проведения обследований
и испытаний конструкций показывает,
что перед окончательным разрушением
имеется стадия с характерными при-
знаками разрушения, на которой эле-
мент еще может воспринимать нагрузку
и допускает даже некоторое ее увели-
чение. Приводятся признаки критичес-
кого состояния, которые могут быть
установлены с помощью приборов и ви-
зуальным путем:
деформации, отмечаемые на послед-
нем этапе нагружения при равных сту-
пенях нагружения, превышают суммар-
ные за предшествующие пять этапов;
прогиб изгибаемой конструкции со-
ставляет более 1/50 пролета;
раскрытие трещин в опасных сече-
ниях железобетонных элементов со-
ставляет более 1,5 мм;
обрыв одного из стержней растя-
нутой арматуры;
отслоение бетона в сжатой зоне;
разрушение анкеровки предвари-
тельно растянутой арматуры;
местная потеря устойчивости эле-
мента.
Признаками критической норматив-
ной нагрузки являются остаточные
прогибы после снятия нагрузки, кото-
рые для железобетонных элементов
превышают 0,35, деревянных — 0,2, ме-
таллических — 0,05 от упругой состав-
ляющей прогиба.
По результатам испытаний состав-
ляется отчет, в котором излагаются
задачи испытаний, состояние конструк-
ции и материалов до и после испыта-
ний, результаты измерений, выводы.
Информация отчета позволяет совер-
шенствовать конструктивные решения,
технологию изготовления и монтажа
конструкций и методику проведения
статических натурных испытаний.
Глава 8
ИСПЫТАНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ
КОНСТРУКЦИЙ
ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЗКОЙ
8.1. Цели и задачи испытаний
конструкций
динамической нагрузкой
В соответствии с объектом,
задачами и, методикой эксперимента,
можно выделить три группы испытаний
динамической нагрузкой: испытание
конструкций существующего сооруже-
ния; испытание строительных деталей
серийного изготовления; научно-иссле-
довательские испытания динамической
нагрузкой.
При испытаниях конструкций об-
следуемых сооружений динамической
нагрузкой исследования проводятся по
двум направлениям: определяют реак-
цию конструкции на заданные воздей-
ствия с целью установления ее напря-
женно-деформированного состояния
при динамических воздействиях; оцени-
вают состояние конструкции и ее
действительную схему работы, исполь-
зуя при этом динамические испытания
в режиме собственных или вынужден-
ных колебаний.
Для строительных деталей серийно-
го изготовления с помощью динами-
ческих испытаний проводится нераз-
рушающий контроль качества готовой
продукции.
Вопросы научного эксперимента
при создании динамических нагрузок
довольно разнообразны. Однако все
они в той или иной степени сводятся
к решению четырех главных задач:
1) исследование влияния Динами-
ческой нагрузки на прочностные и
деформативные характеристики строи-
тельных материалов;
2) экспериментальная проверка но-
вой методики расчета конструкции на
динамические’ воздействия;
3) исследование статистических па-
раметров динамических воздействий;
4) совершенствование методики
динамических испытаний.
8.2. Испытания натурных
сооружений динамической
эксплуатационной нагрузкой
При обследовании эксплуати-
руемых сооружений, на конструкции
которых действует динамическая на-
грузка, экспериментальные исследова-
ния, как правило, проводятся в услови-
ях действия эксплуатационной нагруз-
ки. Задача исследования предельно кон-
кретна — зарегистрировать параметры,
характеризующие работу конструкций
под нагрузкой и сравнить их с допускае-
мыми. Сравнение экспериментальных
значений динамических деформаций и
перемещений с нормируемыми дает
возможность проверить условия эксплу-
атации. В отличие от требований,
предъявляемых к конструкциям, вос-
принимающим только статическую на-
грузку, при исследовании динамики
сооружения необходимо не только оце-
нить его работу по предельным состоя-
ниям, но и проверить соблюдение усло-
вий, специфических для эксплуатации
конструкций, подверженных колеба-
ниям.
Как известно, колебания оказывают
на человека отрицательное воздействие
и могут вызвать тяжелые физиологи-
ческие расстройства. Нормативные до-
кументы устанавливают предельно
допустимые значения параметров дина-
мических колебаний (вибраций) вред-
ных для человека. Основными крите-
риями оценки вибраций являются их
амплитуды и частоты. При установле-
нии предельных величин динамических
колебаний нормами учитывается также
продолжительность их воздействия.
Жесткие требования по допусти-
мому уровню вибрации предъявляются
к промышленным и гражданским зда-
ниям, в которых используются обору-
дование и приборы, чувствительные
к вибрациям. К ним относятся здания
8 2. Испытания натурных сооружений динамической эксплуатационной нагрузкой
175
медицинских учреждений, промышлен-
ные сооружения оптико-механической
и электронной отраслей и т. д. В этих
зданиях необходимо проведение специ-
альных мероприятий по уменьшению
вибрации, которые могут быть успешно
осуществлены только при наличии ин-
формации, полученной в ходе обследо-
вания с регистрацией параметров виб-
раций при динамических испытаниях
эксплуатационной нагрузкой.
Динамические воздействия, с кото-
рыми приходится сталкиваться при
проведении обследований сооружений,
подробно рассмотрены в гл. 2. Пере-
числим лишь типичные, наиболее часто
встречающиеся виды воздействий, при
которых проводятся динамические ис-
пытания эксплуатационной нагрузкой:
вибрационная нагрузка, создава-
емая работой механизмов с неуравнове-
шенной массой, например, от компрес-
соров, станков, грохотов, вибростолов
и т. д;
динамическая составляющая ветро-
вой нагрузки, которая вводится в рас-
чет высотных сооружений и многоэтаж-
ных зданий (мачты, дымовые трубы,
многоэтажные здания высотой более
40 м и др.);
ударная нагрузка от действия коп-
ров, молотов и т. д.;
подвижная нагрузка от транспорта,
мостовых кранов и т. д.
Динамическим испытаниям эксплуа-
тационной нагрузкой предшествуют все
операции первого этапа обследования
и все подготовительные работы, свя-
занные с проведением самих испыта-
ний, за исключением работ по созданию
испытательной нагрузки. Для того
чтобы заключение по результатам ис-
пытания не носило формальный харак-
тер, требуется не только провести срав-
нение измеренных параметров с пре-
дельными, но и представить данные
по оценке конструктивных динамичес-
ких свойств сооружения. Для этого
проводят пробные испытания ударной
нагрузкой с регистрацией и последую-
щей обработкой записи собственных
колебаний конструкции. Это дает воз-
можность уточнить расчетную схему
конструкции, определить ее динами-
ческие упругие и неупругие характе-
ристики, установить место наибольших
динамических перемещений. Пробные
испытания в режиме собственных коле-
баний могут быть проведены с исполь-
зованием простейших приборов для
записи колебаний.
В динамических испытаниях экс-
плуатационной нагрузкой используют-
ся более сложные приборы для полу-
чения и обработки информации. Пла-
нируя эксперимент, следует стремиться
к минимальному числу используемых
приборов и располагать их в наиболее
ответственных сечениях. Для получе-
ния синхронной записи изменения ди-
намических параметров во времени не-
обходимо согласование работы изме-
рительно-регистрационной аппаратуры.
В большинстве случаев оценка па-
раметров вибраций проводится на ос-
новании сравнения их с предельно
допустимыми из условий обеспечения
нормальной жизнедеятельности людей
и работы технологического оборудова-
ния, т. е. рассматриваются колебания
низкого уровня, которые не оказывают
влияния на несущую способность и
трещиностойкость конструкций. В том
случае, когда динамические перемеще-
ния и деформации велики, когда при
обследовании обнаружены поврежде-
ния несущих элементов и в то же время
отсутствуют ограничения на вибрьации,
связанные с обеспечением технологи-
ческого режима, задачи обследования
значительно усложняются, потому что
прочностные свойства конструкции оп-
ределяются явлениями усталостного
характера. Постепенное накопление по-
вреждений, вызванное периодически
повторяющимися нагрузками для раз-
личных материалов, проявляется по
разному: развитие одиночных усталост-
ных трещин в металлических конструк-
циях (сосуды давления, мачты, опоры
ЛЭП и т. д.); микро- и макротрещино-
образование в железобетонных и камен-
ных конструкциях (несущие конструк-
ции открытых крановых эстакад, мосты,
176
Глава 8. Испытания строительных конструкций динамической нагрузкой
фундаменты копров, здания в сейсми-
ческих районах и т. д.). Оценка проч-
ностных показателей конструкций воз-
можна в этих случаях методами теории
надежности с привлечением аппарата
механики разрушения. Для этого про-
водится дополнительное обследование
с целью определения вероятности без-
отказной работы конструкции в тече-
ние требуемого периода эксплуатации.
Долговечность реальных конструкций,
работающих в условиях многократно
повторяющейся нагрузки, связана с вы-
носливостью конкретногЬ строитель-
ного материала и особенностями на-
пряженно-деформированного состоя-
ния в исследуемой области конструк-
ции. Достоверный прогноз безотказной
работы конструкции может быть осно-
ван только на экспериментальных дан-
ных. Для металлических конструк-
ций — это данные о деформациях в
зоне концентрации напряжений при
нагружении эксплуатационной нагруз-
кой, параметры усталостной трещины
на момент обследования, прочностные
характеристики материала (например,
К\с — критический коэффициент кон-
центрации 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 деструк-
ции бетону при испытаниях эксплуа-
тационной динамической нагрузкой;
на информации о прочностных свой-
ствах бетона, арматуры и ее сцепления
е бетоном в условиях малоциклового
нагружения. Для целого ряда железо-
бетонных конструкций, работающих
в условиях малоциклового нагружения,
количественная оценка вероятности
безотказной работы основана на анали-
зе условий разрушения только бетона.
Для этого за короткий период эксплуа-
тации необходимо определить парамет-
ры изменения интенсивности микро-
трещинообразования в бетоне. В отли-
чие от металлических конструкций,
где малоцикловое нагружение приводит
к распространению макротрещины, в
бетоне многократно повторное нагруже-
ние вызывает микротрещинообразова-
ние и, следовательно, ослабление струк-
туры, что на определенной стадии при-
водит к спонтанному росту магистраль-
ных макротрещин. Методика оценки
остаточного ресурса бетонного элемента
построена на определении с помощью
акустических методов статистических
параметров микротрещинообразования
при эксплуатационном нагружении,
проведении экспресс-испытаний на ма-
лоцикловое нагружение (при высоких
уровнях максимальных напряжений)
образцов бетона обследуемой конструк-
ции, расчете по этим данным вероят-
ности безотказной работы.
Помимо основной задачи-оценки
опасности динамических воздействий
для сооружения-при испытаниях реаль-
ных конструкций эксплуатационной на-
грузкой изучаются также и статисти-
ческие характеристики самих нагрузок.
С этой целью проводятся специальные
длительные экспериментальные иссле-
дования, в которых по реакции конст-
рукции (перемещениям и деформа-
циям) судят о характере воздействия.
В качестве примера рассмотрим мето-
дику определения статистических ха-
рактеристик режима нагружения под-
крановых конструкций. Коэффициент
надежности по нагрузке от мостовых
кранов, назначаемый согласно норма-
тивным документам, является оконча-
тельным расчетным показателем, кото-
рый определяется в результате ста-
тистического анализа данных о режи-
мах нагружения. Значения этого коэф-
фициента зависят от принимаемой
вероятности безотказной работы кон-
струкций. По своей структуре коэф-
фициент надежности является функци-
ей нескольких параметров, которые
могут рассматриваться только как
случайные величины. Это — масса гру-
зов, частота их подъема и число проез-
дов крана, положение крана и тележки
относительно рассматриваемой кон-
8.2. Испытания натурных сооружений^динамической эксплуатационной нагрузкой
177
Рис. 8.1. К определению
вертикальной и боковой
нагрузки от мостового крана
струкции, сочетание нагрузок от не-
скольких кранов. Совокупность многих
случайных факторов делает очень
сложным экспериментальное решение
задачи по оценке каждого из факторов
с последующим определением общего
выражения для коэффициента надеж-
ности по нагрузке. В связи с этим
представляется целесообразным ис-
пользование методики интегральной
схемы нагруженности подкрановых
балок вертикальной и горизонтальной
нагрузкой. Эта методика была много-
кратно реализована при проведении
динамических испытаний эксплуатаци-
онной нагрузкой в цехах промзданий.
На рис. 8.1 показана схема измерения
усилий и деформаций в одном из сече-
ний подкрановой балки. После реги-
страции этих параметров можно рас-
считать усилия от вертикальной и го-
ризонтальной эквивалентных нагрузок.
В этой схеме для интегральной оценки
вертикальной крановой нагрузки ис-
пользовадись экспериментальные дан-
ные по тензорезисторам Т>—Tfc; Тз—Т'4
о значениях деформаций в нижнем
поясе 4 расчетного сечения подкрано-
вой балки. Для измерения горизон-
тальных сил, передаваемых от колеса
2 крана рельсу 5, применялись элек-
тромеханические динамометры кольце-
вого типа 1 (с парами тензорезисторов
Ti — Тг, Тз — Т4), установленные вза-
мен элемента крепления верхнего поя-
са подкрановой балки к колоннам.
Калибровка измерительной системы
в значениях вертикальной и горизон-
тальной нагрузки мостового крана
проводилась в ходе испытаний при
известном положении крана с различ-
ными грузами на крюке. В дальнейшем
разнообразные сочетания значения и
положения нагрузок от мостовых кра-
нов могут быть сведены к значениям
нагрузки по эквивалентной схеме.
Статистический анализ информации,
полученной в ходе отработки методики
испытаний, показал, что изменение вер-
тикальных и горизонтальных нагрузок
можно рассматривать как случайный
процесс. Статистические характеристи-
ки этого процесса могут быть вычис-
лены по реализациям конечной дли-
тельности, причем продолжительность
испытаний может быть ограничена вре-
менем 400 час.
Исследования режимов нагружения
подкрановых конструкций в действую-
щих цехах металлургических комбина-
тов показали, что коэффициенты на-
дежности по нагрузке могут быть
определены по данным испытаний экс-
плуатационной нагрузкой. Необходимо
отметить, что рассмотренная методика
натурных испытаний находит приме-
нение в исследовательских работах по
уточнению расчетных нагрузок, а также
при проведении экспресс-испытаний
по определению действительных коэф-
фициентов надежности по нагрузкам
в конкретных условиях эксплуатации
строительных конструкций нового или
реконструируемого производства.
178
Глава 8 Испытания строительных конструкций динамической нагрузкой
8.3. Испытания
конструкций и сооружений
искусственно создаваемой
вибрационной нагрузкой
В процессе вибрационных ис-
пытаний деформации и перемеще-
ния в различных точках конструк-
ции изменяются во времени по гармони-
ческому закону. Различают испытания в
режиме собственных и вынужденных
колебаний. Испытания в режиме собст-
венных колебаний в натурных условиях
воспроизводятся значительно проще.
Однако использование результатов та-
ких испытаний ограничивается воз-
можностью создания и исследования
одной, в лучшем случае, двух форм соб-
ственных колебаний, хотя для решения
многих практических задач эта ин-
формация является вполне достаточ-
ной. Испытания в режиме вынуж-
денных колебаний сложнее в исполне-
нии, но ценнее, информативнее по своим
результатам. Вынужденные колебания
создаются в околорезонансных режи-
мах и обеспечивают исследование
различных форм колебаний, в том чис-
ле пространственных. Характерной осо-
бенностью резонансных испытаний яв-
ляется возможность создания боль-
ших динамических деформаций и пе-
ремещений в элементах конструкции.
При натурных вибрационных ис-
пытаниях определяют следующие ос-
новные параметры: форму, частоту и
декремент колебаний конструкции. При
исследовании влияния вибраций на
прочностные свойства материалов, эле-
ментов и соединений в качестве ис-
ходных параметров динамической на-
грузки используют коэффициент асим-
метрии цикла, среднее й амплитудное
значения цикла, выраженные в терми-
нах номинальных напряжений или ре-
альных с учетом их концентрации.
Поведение конструкции характери-
зуется бесконечно большим числом
фо0м колебаний, так как реальные
системы обладают бесконечно боль-
шим числом степеней свободы. Одна-
ко практическое значение имеют лишь
первые две-три формы, отвечающие
по своим частотам характеристикам
действующих нагрузок. На рис. 8.2, а, б
показаны виброграммы, полученные
в ходе резонансных испытаний с по-
мощью вибромашины, установленной
в четверти пролета балки на двух опо-
рах. Различные формы колебаний
наблюдаются при совпадении частоты
возмущающей силы с частотой собст-
венных колебаний по соответствующей
форме. Для изгибаемой шарнирно
опертой балки отношение значений
спектра частот соответствует показате-
лю гп2, где m — номер формы.
Частота колебаний f0 измеряется
в Гц и связана с периодом колебаний
Т соотношением f0= 1/Т.
В ходе вибрационных испытаний ре-
шаются следующие задачи:
определение динамического коэф-
фициента для воздействий с известны-
ми динамическими характеристиками;
определение состояния несущих кон-
струкций эксплуатируемых сооруже-
ний;
определение упругих динамических
характеристик строительных материа-
лов;
неразрушающий заводской кон-
троль качества строительных изделий;
определение влияния циклического
нагружений на снижение прочностных
свойств материалов и конструкций
(предел выносливости, малоцикловая
усталость).
Испытания по определению динами-
ческого коэффициента установившихся
вынужденных колебаний проводятся в
случаях, когда на конструкцию пред-
полагается установка агрегатов, созда-
ющих динамические воздействия. В пас-
порте агрегата указываются динами-
ческие характеристики: масса, ампли-
тудное значение динамической силы,
рабочая частота, время запуска и оста-
новки двигателя. Для расчета дина-
мического коэффициента помимо ука-
занных параметров необходимо знать
8.3. Испытания конструкций и сооружений искусственно создаваемой вибрационной нагрузкой
179
Рис. 8.2. Виброграммы
динамических испытаний
значения собственных частот несущих
элементов конструкций и соответствую-
щих этим частотам декрементов коле-
баний. Расчет конструкций на вибра-
ционную нагрузку проводится с целью
определения величины динамических
перемещений и деформаций и после-
дующей проверки соблюдения требова-
ний нормальной эксплуатации.
Динамический коэффициент пока-
зывает, во сколько раз динамические
перемещения и напряжения в системе
с одной степенью свободы отличаются
от статических, рассчитанных на дей-
ствие амплитудного значения динами-
ческой силы. С учетом неупругих со-
противлений коэффициент динамично-
сти определяется по формуле
*д = 1а/(1-Р2)2 + «2Р2/л2 .
где р = 8/соо — отношение круговой частоты воз-
мущающей силы к круговой частоте собствен-
ных колебаний конструкции.
Для определения коэффициента ди-
намичности необходимо найти в резуль-
тате вибрационных испытаний частоту
и декремент собственных колебаний.
Следует отметить, что значение декре-
мента колебаний зависит от частоты
и амплитуды вибраций, поэтому дина-
мические испытания рекомендуется про-
водить в условиях, максимально при-
ближенных к реальным. В этом смысле
испытания в резонансном режиме явля-
ются предпочтительными.
По результатам вибрационных ис-
пытаний проводится расчет динамичес-
ких напряжений и перемещений кон-
струкций на действие вибрационной
нагрузки от предусмотренного проек-
том оборудования. Если рассчитанные
параметры окажутся выше допускае-
мых, необходимо разработать инженер-
ное решение по улучшению динами-
ческих характеристик конструкции.
Для снижения уровня вибрации
конструкции возможны два варианта
решения, которые могут быть осуще-
ствлены путем изменения параметров
динамической нагрузки на конструкцию
и изменения параметров самой кон-
струкции.
Для реализации первого варианта
решения существуют следующие спо-
собы:
изменение частоты динамической
нагрузки;
изменение проектного положения
агрегата на перекрытии (при верти-
кальной динамической нагрузке разме-
щать агрегат следует у опор перекры-
тия, при горизонтальной нагрузке —
вдоль балок перекрытия);
динамическая балансировка вра-
щающейся части механизма со сме-
щенным относительно оси вращения
центром массы (осуществляется за-
креплением дополнительной массы на
вращающейся части для полного или
частичного погашения динамического
усилия);
активная виброизоляция агрегата
180 Глава 8. Испытания строительных конструкций динамической нагрузкой
путем уменьшения динамической со-
ставляющей воздействия на перекры-
тие.
Изменение параметров конструкции
для реализации второго варианта ре-
шения проводится с учетом влияния
этих параметров на частоты свободных
колебаний и вывода системы из резо-
нансной области при воздействии гар^
монической динамической нагрузки.
Влияние на частоту свободных коле-
баний конструкций обеспечивается:
изменением ее конструктивной схе-
мы, т. е. введением связей, пересмотром
конструктивного решения опорных уз-
лов, уменьшением пролета при вве^
дении дополнительных опор;
изменением жесткости конструкции
за счет трансформации поперечного
сечения элементов;
устройством постамента под агре-
гат, который в зависимости от необхо-
димого уменьшения или увеличения
частоты может быть запроектирован
массивным без прочной связи с кон-
струкцией, легким и жестким, прочно
прикрепленным к перекрытию.
При разработке конструктивных
решений по уменьшению вибраций
необходимо учитывать, что уменьшение
частоты свободных колебаний кон-
струкции всегда сопровождается уве-
личением прогибов и напряжений в ней,
вызванных статической нагрузкой. В
связи с этим требуется проведение
дополнительного статического расчета.
Вибрационные (резонансные) ис-
пытания широко используются для
оценки состояния эксплуатируемых со-
оружений. Этот неразрушающий метод
контроля позволяет устанавливать час-
тоты для первых пространственных
форм колебаний конструкция
(рис. 8.3, а—г) и определять соответ-
Рис. 8.3. Пространственные
формы колебаний модели
металлического каркаса
здания
ствующие декременты колебаний. Эти
параметры используются в качестве
показателей степени повреждения кон-
струкций. Особенно актуальна эта за-
дача для сооружений, подверженных
Сейсмическим нагрузкам. Многочислен-
ные исследования каркасных и круп-
нопанельных зданий показали, что ди-
намические параметры пространствен-
ной конструкции очень чувствительны
к повреждениям, вызванным сейсми-
ческой нагрузкой. В испытаниях, прове-
денных на реальных сооружениях и
крупномасштабных моделях, были уста-
новлены количественные соотношения
между уровнем сейсмической нагрузки
и динамическими параметрами конст-
рукции, получившей повреждения, при-
чем сейсмическая нагрузка моделиро-
валась вибрационным воздействием.
В цроцессе отработки методики было
доказано, что характер повреждений
при сейсмическом и вибрационном
воздействии идентичен. Кроме того,
было установлено, что перемещения и
внутренние усилия в конструкции при
возмущениях, передающихся через
грунт и в случае возбуждения коле-
баний в уровне перекрытия практи-
чески не отличаются. С методической
Точки зрения эти результаты чрезвы-
чайнб важны, так как динамическое
насруженйе в уровне перекрытия зна-
чительно эффективнее.
Динамические испытания строи-
тельных изделий в режиме собствен-
ных или вынужденных колебаний яв-
ляются одним из составных элементов
комплексного неразрушающего контро-
ля качества заводской продукции.
Наиболее широкое применение полу-
чили вибрационные испытания на за-
8.3. Испытания конструкций и сооружений искусственно создаваемой вибрационной нагрузкой 181
водах сборного железобетона, проводи-
мые для контроля качества изгибаемых
конструкций, в том числе и предвари-
тельно напряженных. Оценка прочност-
ных и деформативных показателей кон-
струкции основана на предварительно
выявленных статистических зависимо-
стях указанных характеристик с пара-
метрами неразрушающих вибрацион-
ных, ультразвуковых, магнитных мето-
дов. Эти зависимости носят название
градуировочных и строятся по резуль-
татам серии испытаний статической
нагрузкой и неразрушающим методом.
Следует отметить, что косвенный
неразрушающий контроль прочности,
жесткости и трещиностойкости сборных
железобетонных элементов может от-
носиться либо к определенным зонам
объекта исследования, либо ко всему
объекту в целом. При вибрационных
испытаниях измеренный параметр яв-
ляется обобщающей характеристикой
сопротивления конструкции. В связи с
этим, для получения градуировочных
зависимостей вибрационного метода
требуется проведение статических ис-
пытаний конструкции в целом, тогда
как аналогичная зависимость ультра-
звукового метода строится по резуль-
татам испытаний образцов бетона. Ме-
тодика заводского вибрационного кон-
троля предполагает проведение серии
предварительных градуировочных ис-
пытаний десяти изделий из партии.
В дальнейшем неразрушающий кон-
троль изделий может быть выборочным
или сплошным.
Принципиальная схема методики
резонансных испытаний заводских из-
делий не отличается от схемы испыта-
ний образцов и натурных конструкций
в режиме вынужденных колебаний.
Вместе с тем, необходимо обратить
внимание на наличие некоторых харак-
терных особенностей динамических ис-
пытаний в заводских условиях. Для
массового контроля качества изделий
сборного железобетона необходимы
специальные автоматизированные ус-
тановки — стенды, позволяющие воз-
буждать колебания основного тона
в массивных конструкциях. При резо-
нансных испытаниях образцов в рав-
ной степени используются продольные,
крутильные и изгибные колебания.
В испытаниях заводских конструкций
реализуется схема изгибных колеба-
ний. Информативными параметрами
неразрушающего заводского вибраци-
онного контроля качества являются
собственная частота колебаний желе-
зобетонного элемента и декремент
колебаний. При резонансных испыта-
ниях натурных сооружений и образцов
Строительного материала в качестве
контролируемого параметра исполь-
зуется, как правило, частота колеба-
ний основного тона. Декремент коле-
баний является характеристикой не-
упругих свойств исследуемого объекта.
Он зависит не только от потерь энер-
гии колебаний в конструкции или образ-
це, но и от трения на опорах и сопро-
тивления внешней среды.
При динамическом испытании экс-
плуатируемых сооружений, например,
до и после сейсмического нагружения,
значение декремента изменяется су-
щественно, Большой разброс значений
декремента затрудняет количественную
оценку повреждений конструкции, что
обусловливается существенным и не-
однозначным вкладом в общие потери
энергии колебаний трения в узлах
сопряжения конструктивных элементов.
При проведении заводских вибрацион-
ных испытаний потери на опорах и на
преодоление сопротивления внешней
среды можно принять постоянными,
так как обеспечивается создание ста-
бильных условий испытаний для желе-
зобетонных конструкций одного типа.
При этом различия в потерях энергии
в конструкции определяются степенью
поврежденности элемента (трещины в
бетоне, в зоне контакта бетона с ар-
матурой). Таким образом, низкое ка-
чество изготовления изделия, наруше-
ния в технологии находят свое отра-
жение в увеличении декремента коле-
баний.
Для контроля качества сборных
железобетонных конструкций исполь-
182
Глава 8. Испытания строительных конструкций динамической нагрузкой
зуются также и испытания в режиме
свободных колебаний. На рис. 8.4
представлена схема проведения вибра-
ционных испытаний железобетонной
предварительно напряженной ребрис-
той плиты 1. Для возбуждения коле-
баний используется ударное устройство
2, создающее фибровые напряжения
в бетоне не менее 5% от предельных.
Механические колебания преобразу-
ются датчиками 3 в электрический
сигнал, который подается на регистри-
рующий прибор 5. Питание осуществля-
ется через стабилизатор 7 и выпрями-
тель 6. Значения частоты и декремента
определяются по осциллограммам сво-
бодных колебаний.
В отдельную группу динамических
испытаний следует выделить вибра-
ционные испытания на усталость. Ди-
намические испытания при повторно-
переменной нагрузке с заданной асим-
метрией цикла проводят с целью опре-
деленйя предела выносливости, условий
разрушения в результате малоцикловой
усталости. Условия разрушения иссле-
дуемого элемента в результате мало-
цикловой усталости материала Выра-
жаются семейством кривых, построен-
ных в координатах «максимальные
напряжения — число циклов до разру-
шения». Предел выносливости является
частным случаем для этих зависимо-
стей и представляет собой максималь-
ные напряжения при 2-106 и более
циклах нагружения.
Рис. 8.4. Схема вибрацион- плиты в режиме свободных
ных испытаний сборной колебаний
предварительно напряженной
Разрушение металлов при цикли-
ческом воздействии носит ярко выра-
женный локальный характер и проис-
ходит в три стадии: образование уста-
лостной трещины, устойчивое ее разви-
тие, разрушение элемента с трещиной
критической длины. Для бетонных и
каменных элементов характерны так-
же три стадии усталостного разруше-
ния, однако, развитие макротрещин
происходит в результате накопления
повреждений во всем рабочем объеме.
Для аналитического описания процесса
усталостного разрушения используется
аппарат механики разрушения и тео-
рии вероятностей, характеризуемый со-
ответствующими параметрами: длина
трещины, коэффициент концентрации
напряжений, скорость роста трещины,
статистические параметры нагрузок,
материала, напряжений в зоне кон-
центрации, количество микротрещин
в единице объема и т. д. Эти параметры
контролируются при проведении вибра-
ционных испытаний на усталость.
Усталостные испытания в большом
объеме проводятся на образцах мате-
риала, фрагментах и узлах конструк-
ции.
Испытания на усталость являются
наиболее трудоемким и сложным видом
динамических испытаний. Рассматри-
вая многообразие задач и факторов,
8.4. Динамические испытания при кратковременном воздействии
183
можно предложить следующий пере-
чень возможных вариантов усталост-
ных испытаний, выстроенных по степе-
ни усложнения методики эксперимента:
испытания гладких образцов строи-
тельных материалов;
испытания Образцов с концентра-
торами напряжений, исследование
условий зарождения усталостной тре-
щины;
испытания стандартных образцов
с трещиной;
испытание фрагментов конструкций
и узлов в сложнонапрятк^нном состоя-
нии с учетом остаточных напряжений;
испытание фрагментов Конструкций
с учетом температуры средй^
испытания на случайные Повторно-
переменные нагрузки. \
8.4. Динамические испытания
при кратковременном
воздействии
\
Экспериментальная оценка ра-
боты конструкций при кратковремен-
ных динамических нагрузках большой
интенсивности предполагает решение
следующих задач:
определение влияния скорости де-
формирования на прочностные и рео-
логические свойства строительных ма-
териалов;
исследование влияния параметров
импульса нагрузки (длительность, фор-
ма, максимальное значение) на кине-
тику напряженно-деформированного
состояния, перераспределение усилий
при появлении и развитии неупругих
деформаций, на трещиностойкость и
несущую способность конструкции;
исследование совместной работы
конструктивных элементов сооружения
и основания при импульсном воздей-
ствии.
Как показали результаты много-
численных лабораторных испытаний,
прочностные и деформативные свойства
строительных материалов существен-
ным образом зависят от скорости на-
гружения. Прочность бетона может
увеличиваться до 80% при возраста-
нии скорости деформирования. Модуль
упругости возрастает до 30%. Значи-
тельно, более чем в 2,5 раза, может
возрасти трещиностойкость бетона при
переходе от статического к импульсно-
му нагружению. Точное значение соот*
ветствующих коэффициентов динами-
ческого упрочнения бетона зависит от
структуры бетона, вида напряженного
состояния и скорости нагружения.
При высоких скоростях нагружения
изменяются прочностные и деформа-
тивные характеристики конструкцион-
ных сталей и сплавов. Так, для мало-
углеродистой стали при скорости де-
формирования 103 с“ предел текуче-
сти увеличивается приблизительно в
3 раза, а прочность возрастает на
40%. Для арматурных сталей увели-
чение временного сопротивления и пре-
дела текучести составляет соответст-
венно 20 и 90%.
Менее изучены динамические проч-
ностные и деформативные свойства
каменных материалов, пластмасс и
алюминиевых сплавов. Однако и для
\^тих конструкционных материалов от-
вечается увеличение прочности и изме-
нение диаграммы деформирования при
переходе от статического к высокоско-
ростному деформированию.
Необходимо отметить, что учет
влияния изменения прочностных и рео-
логических свойств конструкционных
материалов при высокоскоростном
деформирбрании в расчетах на кратко-
временные динамические нагрузки по-
зволяет получить существенную эконо-
мию материала. Объясняется это тем,
что для однократных воздействий
допускаются значительные пластичес-
кие деформации, а именно до этой
стадии работы материала отмечается
улучшение его механических свойств.
Испытание образцов на ударное
сжатие и растяжение проводится, как
правило, на вертикальных копровых
установках. Методика ударных испы-
таний должна учитывать ряд специ-
фических особенностей высокоскорост-
ного деформирования. К ним относят-
ся: волновой характер распространения
184
Глава 8. Испытания строительных конструкций динамической нагрузкой
деформаций и напряжений, и, следо-
вательно, неоднородное по высоте об-
разца напряженно-деформированное
состояние; большой градиент локали-
зованных пластических деформаций,
скорость развития пластических де-
формаций и скорость развития микро-
и макротрещин.
При назначении расчетных прочно-
стных характеристик материала по
результатам ударных испытаний необ-
ходимо учитывать, что полученные
данные могут быть использованы для
конструкций без концентраторов на-
пряжений. При наличии в конструкции
концентрации напряжений (сварные
швы, отверстия и т. д.) или при появ-
лении концентраторов (типа трещин)
результаты испытаний гладких образ-
цов должны быть дополнены испыта-
ниями на ударное нагружение образцов
с соответствующим концентратором
напряжений. В результате дополнитель-
ных испытаний должна быть дана коли-
чественная оценка возможного сниже-
ния прочности элемента конструкции,
вызванного увеличением хрупкости
металлов при высокоскоростном дефор-
мировании.
Рассмотренные специфические осо-
бенности измерения высокоскоростных
процессов деформирования усложняют
технику проведения эксперимента. Тех-
нические трудности проявляются даже
в опытах на образцах (при регистра-
ции скоростей роста трещины в бетоне
с помощью тензорезисторов последова-
тельного обрыва, при определении мак-
симальной величины пластических де-
формаций в зоне с высоким их гра-
диентом, при построении динамичес-
кой диаграммы a — е с учетом разли-
чия в скоростях распространения упру-
гой и пластической волны). При испы-
таниях конструкций кратковременной
нагрузкой большой интенсивности об-
наруживаются дополнительные трудно-
сти в процессе регистрации и рас-
шифровки результатов. Вызвано это
необходимостью синхронной записи
и последующего анализа упругопласти-
ческиХ деформаций в нескольких уда-
ленных друг от друга зонах объекта.
В связи с этим, количество проведен-
ных испытаний конструкций на ударную
нагрузку является весьма ограничен-
ным. Недостаточно отработана методи-
ка таких испытаний. Опыты по оцен-
ке работы конструкций при импульс-
ном нагружении относятся в настоящее
время к области научного эксперимен-
та как в методическом, так и теорети-
ческом аспектах. В этих исследованиях
изучаются вопросы, связанные с фор-
мированием предельных состояний не-
сущих элементов конструкций при
ударё, с учетом их взаимного влияния
и взаимодействия с грунтом основания.
Ударные испытания часто проводятся
на отдельных фрагментах сооружения,
включающих один-два конструктивных
элемента, например: ригель на жестких
опорах, плита перекрытия — ригель;
ригель — колонны; ригель — опора —
основание и т. д. В этих испытаниях
определяются деформации и переме-
щеййя В опасных сечениях, оценива-
ются динамические реакции и инер-
ционные силы, возникающие при сов-
местных абсолютных и относительных
перемещениях двух несущих элементов
6 упругой и упругопластической ста-
диях деформирования. Результаты та-
ких испытаний являются составной
частью экспериментально-теоретичес-
ких исследований работы конструкций
сооружений при ударных воздействиях.
Необходимо отметить, что несмотря
йа существование общих подходов к
Методикам проведения натурных испы-
таний, каждый конкретный экспери-
мент всегда индивидуален. Повторить
опыт в строгом и точном соблюдении
всех деталей невозможно, да и не нуж-
но, так как каждое новое испытание —
это и новая более совершенная сту-
пень в развитии методики, техники и
объекта испытаний. Поэтому не может
быть универсальных рекомендаций,
пригодных для всех случаев испыта-
ний. От исследователя-эксперимента-
тора всегда требуется проявление эле-
8.5. Методика испытаний сосудов давления 185
ментов творчества. Если пример рас-
чета строительной конструкции служит
детальным руководством для инженера,
то пример испытания конструкции дол-
жен иллюстрировать эксперименталь-
ный поиск, совершенствование мето-
дики. Каждое конкретное испытание
конструкции следует рассматривать
как предмет детального изучения, ко-
торый в методическом плане можно ц
должно изменять к лучшему. Приме-
ром таких рациональных научно" обо-
снованных изменений в методике, поз-
воляющих не только усовершенство-
вать технику инструментального кон-
троля состояния, но и улучшить экс-
плуатационные характеристики объек-
та, является опыт развития методики
приемочных испытаний сосудов давле-
ния. Проведенная с этой целью экспе-
риментальная работа интересна ещё и
тем, что результаты ее, имеющие боль-
шое практическое значение, были по-
лучены благодаря комплексному ис-
пользованию современной усовершен-
ствованной методики статических, ди-
намических и акустических натурных
испытаний.
8.5. Методика испытаний
сосудов давления
Многочисленные данные, полу-
ченные во время приемочных обследо-
ваний сосудов давления и в процессе
их эксплуатации, показывают, что из-
за несовершенства технологии изго-
товления в сосудах давления имеются
дефекты в виде острых подрезов,
неметаллических включений, микро!ре-
щин, непроваров, газовых пузырей
и т. д. При однократном нагружеции
такие дефекты не снижают несущей
способности конструкции, однакй, при
повторно-статическом воздействии, а
именно, такие воздействия испытывают
сосуды давления, дефекты трансформи-
руются в трещины, что приводит к
отказам в период эксплуатации кон-
струкции. Долговечность конструкции
определяется числом циклов нагруже-
ния, в течение которых происходит
увеличение начальной трещины а0 до
ее предельного (критического) размера
&кр«
Для описания кинетики увеличения
трещины при циклическом нагружении
используется уравнение Пэриса—Эрдо-
гана
da/dN^C^KxY, (8-1)
где Со и п — постоянные, зависящие от меха-
нических свойств материала и условий испыта-
ний (определяются экспериментально на спе-
циальных образцах с трещиной); Ki — коэффи-
циент интенсивности напряжений — параметр,
описывающий напряженное состояние в окрест-
ности вершины трещины.
Напряжения о, действующие пер-
пендикулярно направлению развития
трещины, -описываются однопараметри-
ческой зависимостью
а=7(1/-^2лг,
где г — расстояние от вершины трещины до
рассматриваемой точки.
Амплитудное значение коэффици-
ента интенсивности A/G/2 определя-
ется на основе соотношения
=(amax,,-an1in4)V«f1,. (8-2)
где amaXi? — максимальные и минималь-
ные напряжения в сечении, ослабленном тре-
щиной; fik — функция, значение которой зави-
сит от формы элемента конструкции, способа
его нагружения, формы трещины.
При подстановке (8.2) в уравнение
(8.1) имеем:
da/dN = C0an/2(Jlk Да)" . (8.3)
Интегрирование уравнения (8.3)
в пределах изменения размера тре-
щины от исходного до критического
значения акр дает число циклов N до
разрушения конструкции или дости-
жения конструкцией некоторого пре-
дельного состояния
^=2/[(n—2) С0(/1АДа)л]х
Х[ 1/а^~2»2- 1/а(кп-2)/2] (8.4)
186
Глава 8. Испытания строительных конструкций динамической нагрузкой
Рис. 8.5. Влияние уровня
перегрузки при приемочных
испытаниях на распределение
напряжений
Критический размер трещины акр может
привести к следующим предельным
состояниям в расчетном сечении:
если материал сосуда давления на-
ходится в хрупком состоянии, то акр
можно определить по формуле
акр = ^/[Да2^] ’
где К\с — критическое значение коэффициента
интенсивности напряжений, при достижении
которого начинается лавинообразное распро-
странение трещины;
если материал конструкции нахо-
дится в вязком состоянии, то по мере
роста трещины будет снижаться и не-
сущая способность сосуда давления
(вплоть до предельного уровня). Для
сосудов давления предельным состоя-
нием может оказаться потеря герме-
тичности, когда глубина поверхностной
трещины станет равной толщине стенки
сосуда.
Размеры начальной трещины прини-
мают как допускаемые дефекты по со-
ответствующим нормативным докумен-
там или на основе результатов дефек-
тоскопии конструкции. Наиболее эф-
фективным методом определения коор-
динат и размеров дефекта типа тре-
щины является метод, основанный на
Рис. 8.6. Влияние уровня
испытательной перегрузки
на циклическую
долговечность сосудов
давления
использовании явления акустической
эмиссии. Основными параметрами акус-
тической эмиссии, получаемыми в про-
цессе проведения дефектоскопии, явля-
ются: суммарная акустическая эмиссия;
интенсивность акустической эмиссии;
амплитуда энергия сигнала акустиче-
ской эмиссии.
Определение координат дефектов с
помощью акустической эмиссии основа-
8.5 Методика испытаний сосудов давления
187
но на принципах пассивной радио-
локации. Развивающийся дефект излу-
чает в окружающий материал им-
пульсы акустической эмиссии, измере-
ния параметров которых с помощью
нескольких разнесенных преобразова-
телей позволяет определить местопо-
ложение источника излучения.
Определение размера дефекта осно-
вано на существовании зависимости
между суммарной акустической эмис-
сией Л^аэ и коэффициентом интенсив-
ности напряжений
^аэ^ВК^ (8.5)
где В — константа материала; m — показатель
степени, изменяющийся для различных мате-
риалов от 5,6 до 11,9; В, m — коэффициенты,
определяемые при испытании образцов.
Совместное решение (8.5) и (8.2),
ПРИ а min=min= 0, позволяет опре-
делить исходный размер дефекта
а -Дг2/т //В2/т 2 f2 \
Используя найденное значение ао,
по формуле (8.4) можно рассчитать
число циклов N до наступления пре-
дельного состояния сосуда давления.
С целью проверки герметичности
и прочности конструкций нормами пре-
дусматривается проведение приемочных
испытаний нагрузкой, превышающей
расчетную в 1,25 раза. Однако испы-
тательные перегрузки в ряде случаев
могут превышать уровень, установлен-
ный нормами, и активно воздейство-
вать на перераспределение напряжений
в окрестности дефектов. Объясняется
это тем, что при воздействии пере-
грузки в области концентрации напря-
жений у подрезов, непроваров, газо-
вых пузырей, микротрещин происходит
интенсивное развитие пластических
деформаций растяжения. Это обстоя-
тельство определяет два положитель-
ных момента: во-первых, при разгрузке
зона, в которой развиваются пласти-
ческие деформации, оказывается сжа-
той окружающим эту зону материалом,
работающим упруго, т. е. в окрестности
дефектов формируются благоприятные
остаточные сжимающие напряжения;
во-вторых, за счет уменьшения остро-
ты дефектов, снижается уровень кон-
центрации напряжений.
На рис. 8.5, а показано распреде-
ление остаточных напряжений а^ост,
образовавшихся в зоне пластически
деформированного материала после
воздействия перегрузки (г — расстоя-
ние до вершины трещины). Остаточ-
ные напряжения приведены для двух
уровней перегрузки, превышающей ра-
бочий или расчетный уровень нагру-
жения в 1,8 (кривая 1) и в 2,5 раза
(кривая 2).Как видно из приведенных
данных, с ростом перегрузки увеличи-
ваются ординаты эпюры сжимающих
напряжений и расширяется область их
действия. Образовавшиеся в процессе
перегрузки остаточные напряжения су-
щественно снижают уровень напряже-
ний в окрестности дефектов при рас-
четном уровне нагрузки. Кривая 1 на
рис. 8.5, б описывает распределение
напряжений оу перед вершиной дефекта
в сосуде давления, нагруженного до
уровня он/от=0,3 и не подвергавше-
гося воздействию перегрузки. Кривые
2 и 3 на этом же рисунке описывают
распределения напряжений ву при том
же уровне нагрузки, но в случае пред-
варительного нагружения сосудов соот-
ветственно до уровня он/от = 0,54 и
он/от = 0,75.
Снижение уровня напряжений оу
перед вершиной трещины приводит к
значительному повышению долговечно-
сти сосудов давления. На рис. 8.6
показано влияние относительного уров-
ня перегрузки аПеР/оэк на циклическую
долговечность сосудов давления с де-
фектами типа трещин. По оси абсцисс
отложено отношение числа циклов
Л^зам замедленного развития трещины
до критического состояния в случае
начальной перегрузки к числу циклов
N3K развития трещины без воздействия
предварительной перегрузки.
Кривая на рис. 8.6 построена в со-
ответствии с выражением (8.4), в ко-
тором учитывалось уменьшение раз-
188 Глава 8 Испытания строительных конструкций динамической нагрузки
маха напряжений Лоэк после воздей-
ствия перегрузки. Точками на рис. 8.6
показаны результаты эксперимента,
проведенного на сосудах давления.
С увеличением уровня перегрузки
Опер/аэк повышается долговечность ис-
пытанных конструкций. Так, при уров-
не перегрузки, превышающем эксплуа-
тационный в 1,8 раза, число циклов до
разрушения сосуда давления увеличи-
лось в 2 раза, а при относительной
перегрузке аПер/оЭк = 2,5 — в 4,5—5 раз.
Рассмотренное решение практичес-
кой задачи показывает, что обследо-
вание и испытание современной конст-
рукции может провести только все-
сторонне подготовленный инженер-строи-
тель, обладающий способностями к ис-
следовательской работе. Действитель-
но, в данном случае дефектный сосуд
давления мог быть формально отбрако-
ван уже при обследовании. Однако
опыт эксплуатации подобных дефект-
ных конструкций показывает, что они
обладают определенным ресурсом. Вме-
сте с тем, определить срок службы со-
суда давления только по результатам
однократных статических испытаний не
представляется возможным. Потребо-
валось провести специальную исследо-
вательскую работу, чтобы установить,
что наиболее информативным парамет-
ром дефектов в плане прогноза долго-
вечности сосуда давления является ко-
эффициент интенсивности напряжений
в зоне наиболее опасного дефекта
при эксплуатационной нагрузке; а так-
же определить значение коэффициен-
та интенсивности напряжений можно
методом акустической эмиссии в про-
цессе статических испытаний, после че-
го можно с достаточной точностью
рассчитать долговечность сосуда давле-
ния; большие испытательные перегруз-
ки при приемке в эксплуатацию со-
суда давления являются эффективным
способом повышения его циклической
долговечности.
Глава 9
ОРГАНИЗАЦИЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА
В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
9.1. Организация
контроля качества на заводах-
изготовителях
строительных конструкций
Качество той или иной про-
дукции не может считаться раз и
навсегда сложившимся понятием. К
показателям качества предъявляются
все более высокие требования, кото-
рые определяются потребностями на-
родного хозяйства, но ограничиваются
уровнем научных изысканий, конструк-
торских и технологических проработок,
качеством проектирования, уровнем
развития производства.
Система контроля качества должна
охватывать все сферы строительного
производства: проектирование, изго-
товление, транспортировку и хранение
строительных материалов и конструк-
ций, выполнение строительных и мон-
тажных работ. В настоящем разделе
будут рассмотрены системы контроля
качества на заводах-изготовителях
строительных конструкций и стройпло-
щадках.
На заводах железобетонных
(ЗЖБК) и металлических конструк-
ций (ЗМК) контроль качества про-
дукции осуществляется отделом техни-
ческого контроля (ОТК), а также ру-
ководителями производственных под-
разделений. На рис. 9.1 и 9.2 представ-
лены схемы организации контроля ка-
чества на заводах-изготовителях. Та-
кой контроль охватывает все этапы
производственного процесса: контроль
качества исходных материалов, выпол-
няемых работ (или пооперационный
контроль), готовой продукции. При
этом контролю подвергаются не толь-
ко объекты труда (материалы, детали,
конструкции и т. д.), но и заводское
оборудование, параметры технологи-
ческих процессов, организация склади-
рования и хранения материалов и
изделий.
Так, на ЗМК отдел технического
контроля совместно с работниками
склада и других служб завода осу-
ществляет приемку металлопроката,
сварочных материалов, материалов для
грунтовки и окраски конструкций,
комплектующих изделий и прочих
материалов, необходимых для изготов-
ления металлических конструкций.
Устанавливается соответствие посту-
пающих материалов требованиям ГОСТ
(размеры, наличие маркировки, марка
стали, отсутствие расслоений, трещин,
раковин, искривлений и т. д.). Состав-
ляется приемочный акт. Если при
приемке обнаруживаются несоответ-
ствия поступивших материалов требо-
ваниям нормативных документов, со-
ставляется рекламационный акт. Пе-
ред использованием в производстве
металлопрокат, имеющий искривления
больше допустимых пределов, подвер-
гается правке.
Перед началом работ, непосредст-
венно связанных с изготовлением кон-
струкции, необходимо проверить нали-
чие нормативной и технологической
документации, измерительного инстру-
мента, состояние технологического обо-
рудования, квалификацию рабочих,
которые будут участвовать в изготов-
лении конструкции.
Выборочный контроль качества от-
дельных производственных операций
производится сотрудниками ОТК и
мастерами. Готовая продукция полно-
стью проверяется мастером, и, после
устранения недостатков, представля-
ется акт приемки. На сборочных рабо-
тах контролируются: соответствие по-
следовательности выполнения техно-
логических операций технической до-
кументации; соответствие геометри-
ческих размеров проекту конструкции;
совмещение плоскостей деталей соеди-
няемых встык; соблюдение допусков
на разброс между деталями; установка
выводных планок; размеры и распо-
190
Глава 9. Организация контроля качества в строительстве
Технический контроль кечестве но ЭМК
Рис. 9.1. Схема организации
технического контроля
качества на заводах
металлических конструкций
Технический контроль кечестве но ЗЖБК
Рис. 9.2. Схема организации
технического контроля
качества на заводах
железобетонных конструкций
192
ются в зависимости аг:
и способа гваркк
логгнмща -.>< -
...-. , .к <»- '•- ,^-
. ^*' 9.2. Ореан
>' ; контроля’
*»
(мадгаЖкая
> Качество i
НМХ
пока
соответствием
Л
подлежат переделу
тельно-монтаж*
по результатам .-^х
контроля и
со с
ке мачества работ
зг 0-.-Ч
контроль пр<модят все -мат^»й^^ ^ при п
1йжстр,укции, поступа1мад« ма; <<жрш- '
тегдеую-'олэдшжу.^ .>и^к#й,л:$|
ветствие их ктггтпа трг^лпапиугу Шф которь*й в<йл1
яфаег’.-гездвг
тажных работ,
вроверкуположения
верканеобходима хияы
металлические
бетонвых конструкций 'йре»
мй^йдет»т^|^даш^'ййЙ№М
«гей' '«•??»,,
ета®ко®и
/ и<^жени> ^#5стояяно закрепленнмх
’КШТРУШМ.
яр> дойощи
|^мцструменто« иода®-
........ да! и jwm-
г в1>Ш|даие требований тиог
констружмий .ма
|бМММтдах-.ра<с№..' .
। йачества -монтаж'
бо^^1|афа^атываются и,^®д|й-
«н»е-
МММйЯЯ|дет. ирв^ру«ивдмх
ал w, в . р^оводе?Р ЖтШпЖ:у
^еййиь?шшдаой'да*^^с-
|л|Мфл»чИ^^Ш-
№.
и люмтажмых работ
------------------
цргажу строн
сдавав!
тся
нистративные г^ми^:-;л»стовые 4
струкции, башнммачтым т; д.). €
содержат инструктвяый ма
позволяющий оценить шчестшмй
тажных работ, вынййеиных бр»
звеном, отдельным рабоднм. По
может быть оценено качество ^
на объекте в? целом, ,а такШг
оценка деятельиостц мЬмтажнояВ>:
стка, управления ж'иТЗР:
Промежуточная сдача
работ необходима для ко
ства скрытых работ. которые йй^
быть провйрёны пр» 1йслед
рациях. При ыефШй' к
зданий промежуточной сдаче—
ке подлежат: основания до
фундаментов; фундаменты до об»Я«о»
засыпки * котлованов; устанойиш ^ м. ^рч?
стыковка арматуры яеред б«тснж₽||»а^ -Г5. —
'' ' " Ш» улеетрвчря*
Мют/ Для ОКОН
рованных стро
кций необходима следую^
Й^ация: рабочие чертежи смонт
конструкции (для остальных
W®¥« KJ^L с нзнесенными
й-^ « И Х В 4 ~ ’
шййнг- ле.
1 * > ЯгЖ.я?
монтажа отклеите*
качество прш
вЖДматериалов (метизы,эд$
ры и места опирания констр)«ций{г.>
сварка выпусков арматуры юзкиммь
ных деталей; защита металлтееямх
деталей от корромн^ заделка;<4jpprv
метизация стыков «маме»; монтажные
стыки металлически*юм*стр.укций;у«к^—^-— -----
верхности стыковы*-яй«»ейтоввуш«йк ^^итак^нрритаяияйрой^итей;
.....
в и замвиолячж^кмю -
ми.
оружений
всертификаты«мсплавыдля - -
л
ных цехов
кость, • Тросмйт 8TWHW»^^WW • ,Й11Й»Ж11Й1Й^Л.1«ЙЙ<
вых co<^yweart/4i»w<^miw«^^ ‘Шй ’«ЙЙЙявЙ
на прочностью T^ilfMWt»^^
там и
ты испытаний*
актов
емке скрытых р
с. объекта ocyiWTlM«lTgM
чанияле
ДЯТ
Sfеружеян
мЛЬшу ;,<мыйъ..|*^мкааа>1«;гмь,^ '«^МЖЙкККЛ39КЯМмЙ»МВкДЬа*4НЫ1№&>*
' А^ПЙ»**РЯМг wMP*»? “
.jt.' « :Л l . а. ". * . . i - ' <»4
F W<
лйейй»'/^ • ;
$^рт1мш1*1йцммфмк»*'> -
194 Глава 9. Организация контроля качества в строительстве
проверяет всю документацию, которая
в дальнейшем предъявляется госу-
дарственной комиссии. В необходимых
случаях комиссия определяет соответ-
ствие данных, изложенных в докумен-
тах, фактически выполненным рабо-
там; производит дополнительные испы-
тания; проверяет отдельные скрытые
работы и их соответствие составлен-
ным актам. После ликвидации всех
недоделок, выявленных рабочей комис-
сией, заказчик организует сдачу по-
строенного сооружения государствен-
ной комиссии.
Представители государственного
архитектурно-строительного контроля
проверяют полноту и правильность
всей технической и юридической доку-
ментации, а также проводят предва-
рительный осмотр сооружения, на осно-
вании чего составляется документ о
возможности назначения государствен-
ной приемочной комиссии.
Государственная приемочная ко-
миссия обязана определить соответ-
ствие объекта утвержденному проек-
ту и правилам технической эксплуата-
ции; готовность объекта к сдаче в
эксплуатацию и соответствие стоимости
строительства утвержденным сметам.
В эксплуатацию принимаются толь-
ко полностью законченные объекты.
В исключительных случаях незавер-
шенными остаются работы по озеле-
нению, которые могут быть перенесены
на ближайший благоприятный период.
По результатам своей работы госу-
дарственная комиссия вносит решение
о возможности ввода объекта в экс-
плуатацию и составляет акт, в котором
дается оценка качества работ, а также
записываются замечания и указания об
отклонениях от проекта, норм и тех-
нических условий, не препятствующих
нормальной эксплуатации сооружения.
Практика строительного производ-
ства показывает, что качество завер-
шенного объекта во многом определя-
ется тем, насколько четко функциони-
ровала система контроля качества в
процессе строительства сооружения.
Контроль за качеством строительства
осуществляют: инженерно-технический
персонал строек; технический надзор
заказчика; авторский надзор проект-
ной организации; государственный
архитектурно-строительный надзор;
банки, финансирующие строительство;
государственная санитарная инспекция
и государственный пожарный надзор;
техническая инспекция министерств и
ведомств, органы охраны труда
ВЦСПС.
Инженерно-технический персонал
в процессе строительства обязан вести
входной, пооперационный и приемоч-
ный контроль, обращая внимание на
соответствие качества работ требова-
ниям СНиП и нормативных докумен-
тов. Особенно важен контроль за ка-
чеством скрытых работ.
Технический надзор со стороны за-
казчика осуществляет, как правило,
сотрудник отдела капитального строи-
тельства, в обязанности которого
входит:
проверять наличие и содержание
сопроводительной документации на
материалы и конструкции;
не допускать применения материа-
лов и изделий, не соответствующих
требованиям ГОСТ и нормативной
документации, а также материалов,
удорожающих строительство;
вести повседневный контроль за
ходом выполнения и качеством строи-
тельных и монтажных работ; контро-
лировать соответствие этих работ про-
екту и требованиям СНиП;
участвовать в отборе образцов и
материалов для испытаний, знакомить-
ся с методикой и результатами испы-
таний;
участвовать в освидетельствовании
скрытых работ и не допускать произ-
водства последующих работ до под-
писания акта на скрытые работы:
контролировать правильность ве-
дения документации, отражающей все
отступления от проекта, дефекты и
нарушения технических условий при
производстве работ (с указанием лиц,
виновных в этих нарушениях);
9.2. Организация контроля качества строительных и монтажных работ , 195
давать конкретные распоряжения по
исправлению допущенных недостатков
с указанием сроков их исправления и
ответственных за это лиц.
Авторский надзор осуществляется
проектной организацией, выполнившей
проект возводимого сооружения. Над-
зор ведется на протяжении всего пе-
риода строительства и охватывает все
ьиды строительных, отделочных, мон-
тажных, санитарно-технических и
других видов работ. Авторский надзор
выполняю! в основном инженеры,
разработавшие проект.
Целью авторского надзора явля-
ется, с одной стороны, повышение ка-
чества конкретных строительных ра-
бот, с другой стороны, усиление ответ-
ственности проектных организаций за
конечный продукт строительного про-
изводства.
В обязанности авторского надзора
входит*:
ведение журнала авторского над-
зора, в котором фиксируются все вы-
явленные несоответствия строитель-
ного производства проекту, сметной
документации, нормам, заносятся рас-
поряжения по исправлению наруше-
ний;
контроль за своевременным и каче-
ственным выполнением распоряжений
по устранению дефектов;
участие в приемке техническим над-
зором заказчика отдельных наиболее
ответственных конструкций (опоры и
пролетные строения мостов, несущие
металлические и железобетонные кон-
струкции промышленных зданий);
участие в приемке скрытых работ;
проверка сопроводительной доку-
ментации на материалы и конструк-
ции, поступающие на стройплощадку.
Государственный архитектурно-
строительный контроль дает разреше-
ние на строительство объектов раз-
личного назначения. Органы госу-
дарственного строительного контроля
обязаны:
контролировать качество строитель-
но-монтажных работ, а также ра-
бот по благоустройству и озеленению
территории, окружающей строительные
объекты;
контролировать качество и соответ-
ствие нормативным требованиям ма-
териалов и изделий, поступающих на
стройплощадки;
контролировать производство строи-
тельных материалов и конструкций;
контролировать соблюдение проек-
тов и технических требований в том,
что касается архитектурных решений
и качества исполнения фасадов зда-
ний и сооружений;
принимать участие в работе госу-
дарственных приемочных комиссий по
приемке объектов в эксплуатацию;
принимать участие в расследовании
аварий на строительстве;
анализировать и обобщать резуль-
таты контроля качества производства
строительных материалов и конструк-
ций, строительно-монтажных работ;
разрабатывать и направлять в со-
ответствующие организации предложе-
ния по повышению качества возводи-
мых сооружений.
Банковский контроль возлагается на
конторы Стройбанка СССР и Госбан-
ка СССР, финансирующих строитель-
ство объектов различного назначения.
Банковский контроль предусматривает
проверку соответствия проектных и
реальных объемов строительно-мон-
тажных работ, расценок на эти работы,
а также контроль качества строящих-
ся сооружений. Банки имеют право
не оплачивать строительно-монтажные
работы, выполненные с отклонениями
от требований норм и проекта.
Государственная санитарная ин-
спекция и государственный пожарный
надзор контролируют: соблюдение всех
санитарных и противопожарных норм
во время строительства; проверяют
соответствие проектов вновь возводи-
мых и реконструируемых объектов са-
нитарным и противопожарным требо-
ваниям.
196
Глава 9. Организация контроля качества в строительстве
9.3. Использование
в строительном производстве
прогрессивных материалов,
конструкций
и технологических процессов
Дальнейшее повышение каче-
ства строительно-монтажных работ
невозможно без использования про-
грессивных строительных конструкций
и материалов, внедрения в строитель-
ную практику современных технологи-
ческих процессов, поддающихся свое-
временному и четкому контролю.
Необходимо разрабатывать кон-
струкции зданий и сооружений, позво-
ляющие широко использовать поточные
методы производства, конвейерного и
блочного монтажа. Создание таких
конструкций требует дальнейшего раз-
вития типизации и серийности кон-
струкций. Конструкции монтажных эле-
ментов и их соединений следует про-
ектировать таким образом, чтобы
они обеспечивали легкость заводки
элемента встык, возможность быстрого
и простого закрепления элемента, про-
стоту выверки, уменьшение числа мон-
тажных элементов.
Значительные резервы роста каче-
ства монтажных работ связаны с ши-
роким использованием блочного мето-
да монтажа, при котором несколько
отдельных конструктивных элементов
объединяются в жесткий пространст-
венный монтажный блок, устанавли-
ваемый затем в проектное положение.
Сборка блоков происходит на земле.
Это облегчает производство всех тех-
нологических операций и значительно
сокращает объем сложных верхолазных
работ, облегчает контроль монтажных
работ.
Развитием блочного метода монта-
жа является конвейерно-блочный
метод, при котором для сборки блока
организуется конвейер. Этот метод был
с успехом применен на крупнейших
стройках (КамАЗ, Атоммаш, Чебок-
сарский завод тракторных прицепов,
Красноярский завод тяжелых экска-
ваторов и др.). Поточная сборка мон-
тажных блоков на земле позволяет не
только увеличить производительность
труда и сократить сроки строитель-
ства, но также обеспечить значитель-
ный рост качества строительно-мон-
тажных работ за счет хорошей орга-
низации рабочих мест; широкого ис-
пользования для временного закрепле-
ния и выверки элементов конструкций
блока стационарных кондукторов, обо-
рудованных захватками; использования
механизированного инструмента; вы-
полнения всех операций по хорошо
продуманной и отлаженной технологии;
узкой специализации рабочих; повы-
шения производственной дисциплины
и т. д. Очевидно, что при конвейерно-
блочном методе монтажа может быть
организован более надежный комп-
лексный контроль качества работ, упро-
щается процесс исправления недостат-
ков.
Значительное усовершенствование
контроля качества изготовления и мон-
тажа конструкций может быть достиг-
нуто в дальнейшем при широком вне-
дрении в технологические процессы
промышленного телевидения, двусто-
ронней радиосвязи, установок для
управления оборудованием.
Глава 10
ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О МОДЕЛИРОВАНИИ
КОНСТРУКЦИЙ
10.1. Виды и классификация
методов моделирования
Моделирование является одним
из основных видов испытаний, кон-,
струкций, проводимых с исследователь-
ской целью. Несмотря на то, что наибо-
лее полную информацию о работе
конструкций можно получить в про-
цессе натурных испытаний, их про-
ведение во многих случаях сопряжено
с большими материальными затратами
и непреодолимыми трудностями мето-
дического характера. К таким трудно-
стям относится достижение в натурных
условиях требуемой точности измере-
ний или исключение влияющих фак-
торов, т. е. обеспечение проведения
контролируемого эксперимента. При
моделировании можно выделить лишь
основные факторы, изучение которых
является целью данного эксперимента,
и при построении модели предусмо-
треть варьирование этих факторов на
заданных уровнях. Кроме того, в лабо-
раторных условиях намного проще
обеспечить требуемую точность измере-
ний всех изучаемых параметров.
Следует отметить, что испытание
в лаборатории конструкций, например,
фермы пролетом 24 м или плиты пере-
крытия 3X12 м, также относится к
моделированию в масштабе 1:1, по-
скольку в этом случае и нагружение
и опирание конструкций моделируются.
Вместе с тем, испытания моделей во
многом дополняют натурные испыта-
ния. Так, изучение воздействий на
сооружения кранов, технологического
оборудования, ветра и т. д. может
быть выполнено только в реальных
условиях. Но тщательное изучение рас-
пределения воздействия между элемен-
тами сооружения успешно изучается
на моделях, например, при продувке
высотных конструкций в аэродинами-
ческой трубе или при генерировании
морского волнения в лотках.
7В Зак. 130
Моделирование включает следую-
щие операции: построение модели, изу-
чение свойств этой модели при задан-
ных условиях или воздействиях и пе-
ренос полученных сведений на модели-
руемый объект. Моделирование рас-
сматривает только подобные явления и
базируется на теории подобия. Пара-
метры, характеризующие подобные
явления, связаны между собой опре-
деленными преобразованиями, позво-
ляющими от эффектов, изучаемых на
модели, перейти к исследуемым явле-
ниям в натуре. В практике модели-
рования широко используется матема-
тическое и физическое подобие.
Математическое подобие может су-
ществовать между явлениями разной
физической природы, но описываемы-
ми тождественными уравнениями. На-
пример, уравнение Лапласа описывает
распределение суммы главных напря-
жений в плоской задаче теории упру-
гости; этим же уравнением определя-
ется электрический потенциал в каждой
точке плоского проводника, к кото-
рому подведен ток. Таким образом,
измерение физической величины —
электрического потенциала — позволя-
ет исследовать распределение механи-
ческих напряжений. На этом принципе
основаны модели-аналоги, представля-
ющие собой электрические цепи за-
мещения, сеточные интеграторы, а так-
же аналоговые машины непрерывного
действия.
Физическое подобие требует пол-
ного или частичного воспроизведения
физических процессов, протекающих
в натурном объекте. При этом натура
и модель являются одинаковыми по
физической природе: соответственные
величины модели и натуры отличаются
лишь количественно, но не качественно.
Физическое подобие является ос-
новой механического моделирования.
С использованием принципов механи-
ческого моделирования решаются две
198
Глава 10 Общие понятия о моделировании конструкций
основные задачи: замена расчета вну-
тренних усилий в элементах конструк-
ций определением напряженно-дефор-
мированного состояния идеализиро-
ванных моделей и моделирование дей-
ствительной работы конструкций в
неупругой и предельной стадии на-
гружения.
Поскольку моделирование базиру-
ется на теории подобия, рассмотрим
принципы получения условий подобия.
10.2. Условия подобия
Механическое моделирование
использует геометрическое и физическое
подобие. Пусть координаты натурного
объекта описываются функцией —
/(Ан, Гн, ZH), а координаты соответ-
ственных точек модели — fm(xM, ум, zM).
Тогда при полном геометрическом по-
добии масштаб m = xM/XH=yM/YH —
= zM/ZH.
При механическом моделировании
помимо геометрического подобия не-
обходимо также воспроизвести физи-
ческое подобие явлений, протекающих
и в модели, и в натуре, например,
напряженного состояния, форм коле-
баний и т. п. Если в натурном объекте
изучаемая величина, например, пере-
мещение является функцией ряда оп-
ределяющих ее параметров UH =
f/нлХ где
— механические характерис-
тики материала, физические величины,
характеризующие нагрузки и т. д., а
соответственные величины, определяю-
щие перемещение точек модели, свя-
заны зависимостью им = Ф(им,ь UM.2,
..., Им.п), то для установления усло-
вия подобия необходимо найти взаимо-
связь между масштабами перечислен-
ных физических величин: m\ = uM,i/UH,\',
т2 = им,2/и т. д. Значения всех
указанных масштабов не могут быть
приняты произвольно; это можно по-
казать на простейшем примере гео-
метрического подобия. Например, мож-
но произвольно назначить линейный
масштаб двух геометрических фигур;
однако, если фигуры подобны, то
масштаб углов всегда равен единице.
Физическое подобие явлений, проте-
кающих в натуре и модели, обеспечи-
вается только при определенной взаи-
мосвязи между значениями масштабов
физических величин. Чтобы назначить
эти масштабы и установить взаимо-
связь между ними, необходимо опре-
делить критерии подобия.
Существует два способа получения
критериев подобия: анализ размерно-
стей и критериальный анализ уравне-
ний, которые в самом общем виде
описывают изучаемое явление. Первый
способ применяется для явлений мало
изученных, для которых можно соста-
вить лишь перечень определяющих
эти явления физических величин. Для
большинства задач строительной ме-
ханики успешно реализуется второй
способ, так как для таких задач состав-
лены системы уравнений, описывающих
поведение изучаемого объекта при за-
данных воздействиях и граничных усло-
виях. В этом случае условия модели-
рования могут быть получены наибо-
лее корректным способом — методом
анализа уравнений.
Если для механической системы
известна совокупность определяющих
ее физических величин, то для полу-
чения условий подобия необходимо
из этих величин составить безразмер-
ные комплексы. При этом сочетание
группы физических величин, образую-
щих безразмерный степенной комплекс,
называется критерием подобия и обо-
значается л. Первая теорема подобия
гласит: подобные явления характери-
зуются численно одинаковыми крите-
риями подобия. Из этого следует, что
безразмерные комплексы л, (/=1, 2,
3,...), составленные из параметров на-
турной конструкции и из соответствен-
ных параметров ее модели, численно
равны, например, Л1 = (Тн£\Г1 = <тм£’1Г1;
Л2 = РнО1Г1/1Г2 = РмО1Г1/72 и т. д.
Как составить такие безразмерные
комплексы и сколько их необходимо
для того, чтобы полностью охаракте-
ризовать подобие натуры и модели,—
это можно выяснить из второй теоремы
10.2. Условия подобия 199
подобия (л-теоремы). Если явление
описывается п-размерными величина-
ми, из которых k имеет независимые
размерности*, то функциональная зави-
симость между характеризующими яв-
ление величинами
Х1 =Г(х2, Х3,..., ХЛ,..., Х„) (10-1)
может быть представлена в виде зави-
симости между безразмерными комп-
лексами:
Л1=/(Л2, Лз,..., Лл-л). (10-2)
Кроме того, если среди определяющих
явление величин имеются безразмер-
ные параметры, то они также служат
критериями подобия.
При составлении критериев подобия
с помощью анализа размерности обыч-
но исходят из того, что все члены любо-
го физического уравнения, представ-
ленного в форме многочлена, имеют
одинаковую размерность. Существует
несколько приемов, позволяющих фор-
мализовать процедуру компоновки без-
размерных комплексов. В качестве при-
мера рассмотрим прием исследования
на модели распределения напряжений
в стержне, выполненном из вязкоупру-
гого материала, при воздействии на его
торцы импульсного растяжения. При
составлении математической модели
можно предположить, что распределе-
ние напряжений о в сечениях участка
I вдоль оси стержня зависит от уровня
деформации е, от скорости деформиро-
вания е, от характеристик упругости
Е и вязкости т] материала. Функцио-
нальной связью между перечисленными
величинами
<т = ср(Е, ё, Е, Т), /) (10.3)
можно задаться, например, в виде
степенного одночлена
о = грътЕг1\51*. (10.4)
Здесь р, т, г, s, t — произвольно вы-
бранные показатели степени, значения
♦ Эти размерности не являются комбина-
цией размерностей других величин, принадле-
жащих этой же совокупности.
7В
которых можно определить из условия
равенства размерности левой и правой
части выражения (10.4). С этой целью
произведем в этом выражении замену
физических символов обозначениями
их размерностей:
[ML-1 Т'-2]=[7'-1 ]т[Л1Л-1 Т-2ПЛ!£-1 Т~1 П£]‘, (10.5)
где М, L, Т — основные единицы размерности
системы единиц (СИ) — масса, длина, время.
Безразмерная величина е в выражение (10.5)
не вводится.
Так как показатели степени при
одноименных единицах размерности в
левой и правой части выражения (10.5)
должны быть одинаковыми, составим
соответствующие уравнения:
[Л1] l=r+s;
[£] — l = -r-s-H; (10.6)
[Г] — 2 = — пг— 2r — s.
Система уравнений содержит четыре
неизвестных, поэтому решим ее, напри-
мер, относительно s и подставим полу-
ченные показатели степени (г=1—$;
m = s; t = 0) в выражение (10.4)
а = ?£1-у.
Произведение величин с одинаковыми
показателями степени образуют иско-
мые безразмерные комплексы — крите-
рии подобия
jii=gE~'; H2 = esr\sE~s. (10.7)
Число полученных критериев согласует-
ся с предсказанными л-теоремой, так
как размерных величин пять (и = 5),
а число независимых размерностей к = 3
и, следовательно п — к = 2. Безразмер-
ная величина е также служит крите-
рием подобия лз = е. Таким образом,
полученные безразмерные комплексы
ль яг и лз являются для рассматривае-
мой задачи критериями подобия.
При составлении условий моделиро-
вания удобнее пользоваться не крите-
риями подобия, а уравнениями масшта-
бов или индикаторами подобия. Для их
получения входящие в критерии подо-
бия физические величины заменяют
константами подобия (масштабами).
200
Глава 10. Общие понятия о моделировании конструкций
Очевидно, что для подобных явлений
все индикаторы подобия I равны еди-
нице
//=П^=1» /=1, 2, /п . (10.8)
i= 1
В рассматриваемом примере индикато-
ры подобия*
1{==ОгЕг1 = \; /2 = е*т]г£Г5=1;
определяют условия построения и испы-
тания модели. Согласно индикаторам
/1 и /з масштаб напряжений равен мас-
штабу модуля упругости, а распреде-
ление деформаций в модели и в натуре
должно быть одинаковым. Индикатор
подобия /2 позволяет установить мас-
штаб скорости деформирования стерж-
ня-модели, поскольку выбор материала
модели одновременно определяет значе-
ние масштабов тр и £г.
Метод анализа размерности приме-
няется для установления критериев пол-
ного подобия, когда все величины оди-
наковой размерности моделируются в
одном и том же масштабе. Однако в от-
дельных случаях по этому методу могут
быть получены безразмерные комплек-
сы, характеризующие условия прибли-
женного подобия.
Для иллюстрации метода с помощью
испытания модели-оболочки определим
несущую способность натурной конст-
рукции. Согласно гипотезе А. Р. Ржа-
ницына, верхняя оценка несущей спо-
собности Р пологих выпуклых обо-
лочек постоянной толщины (со сре-
динной поверхностью в виде эллипти-
ческого параболоида) определяется па-
раметрами
P=f(4, В, Л, 6, о(+), а(_)), (10.9)
где А и В — размеры оболочки в плане, h —
стрела подъема, 6 — толщина оболочки, о(+) и
— пределы прочности материала при растя-
жении и сжатии. Собственный вес оболочки в
данном случае не учитывается.
Среди перечисленных в выражении
(10.9) величин независимые размер-
ности имеют, например, А и если
эти величины использовать в качестве
основных, то с их помощью выражение
(10.9) может быть преобразовано в за-
висимости между безразмерными комп-
лексами вида
P/A2a(+)=cp(B/Af h/A, &/А, 10.10)
Здесь можно выделить 3 группы крите-
риев подобия
n,=PM2G(+); л2=В/Л = ЛМ = 6/Л; (10.11)
Лз = сг +
Критерий л3 определяет условие выбора
материала модели: отношение его проч-
ности при сжатии к прочности при рас-
тяжении должно быть таким же, как у
материала натурной оболочки. Крите-
рий подобия яг устанавливает требова-
ние геометрического подобия в верти-
кальной и горизонтальной плоскости.
Однако практически удовлетворить это
требование трудно. При толщине обе-
чайки современных оболочек 4—6 см
даже в случае сравнительно крупно-
масштабной модели (/г«1/20) толщи-
на ее скорлупы должна составлять 2—
3 мм, что практически неосуществимо по
технологическим причинам. Если же
ввести два независимых геометричес-
ких масштаба*— один для горизонталь-
ного АГ=ВГ = /Г, а другой только для
вертикального направления (йЛ = 6Л), то
критериальный комплекс примет вид
Я1=Р/А6о(+), а индикаторы подобия
/! =Pr 1Г а( + ) = 1 ; /2 = (а(-) /а( + ) )f = !
определяют необходимые условия моде-
лирования.
Для конкретизации полученных ус-
ловий моделирования рассмотрим опре-
деленные числовые значения. Пусть
размеры натурной оболочки в плане
30X24 м, стрела подъема 5 м, толщи-
на 4 см. Проектный класс бетона В50
* Здесь и далее масштаб физической ве- * Такое преобразование натуры, когда гео-
личины обозначается тем же символом, что и метрические масштабы по координатным осям
сама величина, но с индексом г. различны, называется аффинным.
10.2. Условия подобия 201
(/?пр~28 МПа); арматура класса
А-1 (/?а = 235 МПа), ее диаметр d =
= 6 мм, шаг армирования w = 20 см.
Оборудование позволяет испытать мо-
дель с максимальным размером в плане
до 1,5 м (1г= 1/20) и толщиной около
1 см (Sr=l/4), т. е. для натуры о(н-)=
= /?пр = 28МПа; о(н+) = /?a^d2/4Sw =
= 235л.0,674-4.20 = 0,83 МПа; (о^/
/о(+))н = 28/0,83 = 33. Последнее отно-
шение является единственным техноло-
гическим ограничением при изготовле-
нии модели. Выполняя модель из раст-
вора с фактическим /?пр = о(м~) =35,3
МПа и армируя ее проволокой d =
= 2 мм (/?а = 216 МПа), шаг арматур-
ной сетки определяют из условий
а(+) = а(-) /(аО/а(+))н = 35,3/33= 1,07 МПа ,
откуда
и =(R =
м \ а ' /м
= 216 • л • 0,274 • 1 • 1,07 = 6,25 см ;
а( + )=0,775 .
В соответствии с принятым условием
моделирования Рн = Р^1Г • 6гОг+) = 62РМ,
т. е. несущая способность проектируе-
мой натурной оболочки может быть
определена простым пересчетом резуль-
татов испытаний ее модели.
Процедуру преобразования алгеб-
раических и дифференциальных уравне-
ний с целью получения индикаторов по-
добия рассмотрим на конкретных при-
мерах. В частности, для моделирования
стержневых упругих систем индикаторы
подобия можно получить при преобра-
зовании любого уравнения, устанавли-
вающего связь между действующими
усилиями и перемещениями этой сис-
темы. Например, уравнения прогибов
шарнирно опертой балки, нагруженной
равномерно распределенной нагрузкой
у= [ql\/24—qlx*/\2 + qx4/24]EI,
где у — прогиб, Е — модуль упругости, I —
пролет балки; ось х совпадает с осью балки, и
начало координат совмещено с левой опорой;
I — момент инерции сечения балки.
Порядок преобразования такого урав-
нения в индикаторы подобия следую-
щий:
а) физические величины, входящие
в уравнение, заменяют масштабами
этих величин, при этом показатели сте-
пени остаются без изменений, а число-
вые коэффициенты становятся равными
единице;
б) полученные безразмерные отно-
шения приравнивают друг к другу и
делят на один из них (знаки, стоящие
перед такими комплексами, опускают).
Так, применяя п. а и б к рассматри-
ваемому примеру, получим:
Уг = qrPxr/ErI r = qrlrx^r/ErIr =
~q rx4/ErI r
и далее
h=qrprXr/yrErIr = \;
/2 = qr x3r lr /yr ETIr — \ \
I3 = qrx*/yrEr Ir = \ .
Полученные индикаторы подобия при
определенных ограничениях могут быть
упрощены. Если принять геометри-
ческие маштабы в направлении осей X и
Y одинаковыми yr = xr = lr, то вместо
трех индикаторов подобия достаточно
записать лишь один
qrPE~l /~1 = 1 • (Ю.12)
Заметим, что выражение (10.12) не тре-
бует подобия формы поперечного сече-
ния балок модели и натуры, а только
определенного масштаба момента инер-
ции 1г — интегральной характеристики
сечения. В случае полного геометри-
ческого подобия сечений (hr = br = lr)
масштаб момента инерции (производ-
ный маштаб) может быть заменен ос-
202
Глава 10 Общие понятия о моделировании конструкций
новным /r = brh3r = l4r и индикатор подо-
бия примет вид
/ = ^£-1/Г1 = 1, (10.13)
т. е. условие моделирования изогнутой
оси геометрически подобных балок,
либо любых других стержневых систем,
содержит три независимых масштаба,
два из которых могут быть выбраны
произвольно.
Рассмотрим процедуру получения
индикатора подобия при преобразова-
нии физических уравнений, содержа-
щих дифференциальные операторы.
Условия подобия явлений, разумеется,
не зависят от того, записаны ли они в
виде алгебраических или дифферен-
циальных уравнений. Если уравнение
содержит дифференциальные опера-
торы, то в процессе замены каждой
физической величины соответствующим
множителем преобразования знаки
дифференциалов следует опустить.
Например, коэффициент подобного
преобразования уравнения v = dmy/dxm
примет вид
vr = yr/x^. (10.14)
Для оператора Лапласа V2w =d2w/
дх2 -\-dPw/ду2 коэффициент подобного
преобразования — (\/2w) r=wr /х2 =
= wr/y2, или при равенстве масшта-
бов Хг = Уг=1г'-
(j\72w)r = w г/12 .
Аналогично, оператор V4w можно
преобразовать как
(v4w\=wr//\ (10.15)
Для получения индикаторов подобия
(также как и в случае алгебраических
уравнений) все найденные из уравнения
безразмерные степенные комплексы
приравнивают друг к другу и затем де-
лят на один из них. В частности, пусть
требуется определить индикаторы подо-
бия для моделирования изогнутой по-
верхности пластины, для которой изве-
стно уравнение функции прогибов
\74w=p/D, где w — прогиб, р— ин-
тенсивность распределенной по поверх-
ности нагрузки, D = Eh3/12(1—цр—
цилиндрическая жесткость (А —тол-
щина пластины, ц — коэффициент
Пуассона). Преобразование такого
уравнения дает следующие безразмер-
ные комплексы:
шг//4 = рг/Г)г ; Dr = Erh3r/(\-^2)r .
Если коэффициент Пуассона материа-
лов модели и натуры одинаков (рг = 1),
то Dr = Er^r и индикаторами подобия
будут
h=prti/wrErh*=\-
/2==|Хг==1 (10.16)
Принимая hr = lr, а также полагая, что
прогибы малы и геометрическое подо-
бие сохранится, установим wr = hr = lr.
Тогда индикаторы подобия примут вид
1 \ —ргЕГ{ /wrErti}= 1;
/2 = Иг=1 (10.17)
Если в выражении (10.17) и ранее
полученном индикаторе подобия (10.13)
производные масштабы внешних сил за-
менить основными pr = Prl~2 qr = Prl~{
где Рг — масштаб сил, то оба выра-
жения (10.13) и (10.17) окажутся иден-
тичными:
/=Л/Г2£г-‘ = 1. (10.18)
Таким образом, если для моделиро-
вания стержневой системы достаточно
было удовлетворить лишь один индика-
тор подобия (10.13) или (10.18), то в
случае двух- и трехосного напряженно-
го состояния полное подобие требует
выполнения еще одного условия — цг =
= 1.
10 2. Условия подобия 203
Для обеспечения подобия изучаемых
явлений необходимо кроме равенства
единице индикаторов подобия обеспе-
чить также подобие начальных и гра-
ничных условий. Начальные и гранич-
ные условия определяют однозначность
результатов моделирования. Условия
однозначности включают соответствие
способа закрепления модели и натуры,
заданных на контуре или поверхности
сил и перемещений, соответствие пре-
дельных соотношений, в рамках кото-
рых рассматривается исследуемая рас-
четная модель. Например, выбор мас-
штаба 1Г, входящего в индикатор подо-
бия (10.12), формально никаких огра-
ничений на форму поперечного сечения
не накладывает. Однако по существу
масштабы длин в направлении высоты
и ширины сечения (hr и Ьг) не могут
быть заданы произвольно, ибо модель
должна оставаться простой балкой и не
превращаться в балку-стенку или плас-
тину.
При использовании методов моде-
лирования для получения условий по-
добия рассматриваются следующие
исходные уравнения: дифференциаль-
ные уравнения равновесия (движения);
уравнения совместности деформаций и
уравнения связи напряжений и дефор-
маций. При моделировании напряженно
деформированного состояния упругих
изотропных тел преобразование указан-
ных систем уравнений позволяет полу-
чить следующие индикаторы подобия:
= = /2 = Цг = 1;
ukru~' = l; = (10.20)
где Uk, г — масштаб заданных на контуре пере-
мещений, рг — масштаб распределенной поверх-
ностной нагрузки.
При изучении гибких упругих систем
необходимо также соблюдать условие
ег = уг = 1, (10.21)
где уг — масштаб деформаций сдвига.
Условия подобия нестационарного
температурного поля 0(х, у, z, Т) в
однородном изотропном теле можно по-
лучить, проводя преобразования урав-
нения теплопроводности Фурье
ср дд/дТ = к(^д2^/дх2-\-d2Q/dy2-\-d2Q/dz2)-\-q
и уравнения свободного теплообмена
поверхности S с окружающей средой
d0/dS = a0(0c-0)Д,
где с — удельная теплоемкость материала; X —
теплопроводность; q — плотность внутренних ис-
точников тепла, выделяемого ими в единицу
объема за единицу времени; а0 — коэффициент
теплопередачи между средой и поверхностью
тела; 0С — температура окружающей среды.
Условия моделирования темпера-
турного поля включают шесть инди-
каторов подобия:
кгГгС-' р-'/-2=1 ;
ег = 1 ;
0. 0=1 ; 0о 0-' = 1; 0 0-' = 1; (10.22)
О,г г 5, г г с,г г х 7
I3 = lrUr 1 er~ 1 ’ Pr l' E ~l er-' = 1 ’
aa I X —1 = 1 .
и, г r r
h==Pr^E-iT-2=^ (10.19)
где иг — масштаб перемещений, gr — масштаб
ускорения свободного падения, рг — масштаб
плотности, Тг — масштаб времени.
Кроме того, одназначность модели-
рования определяется следующими гра-
ничными условиями:
Масштабы рг, сг, кг определяются вы-
бором материала модели. Коэффициент
теплопередачи зависит от многих фак-
торов и в каждом конкретном случае
должен быть получен эксперименталь-
но. После того, как установлен масштаб
ae.r, геометрический масштаб находят
из выражения
lr=a^r-
204 Глава 10 Общие понятия о моделировании конструкций
При исследовании температурных
напряжений к ранее полученным инди-
каторам подобия (10.19) добавляется
еще один
(Ю.23)
где аг — масштаб температурного коэффициента
линейной деформации.
Таким образом, при составлении
плана эксперимента и проектировании
модели для изучения задачи термоупру-
гости необходимо рассматривать сов-
местно весь комплекс индикаторов по-
добия (10.19—10.23), при этом началь-
ные и граничные температурные усло-
вия оказываются взаимосвязанными с
граничными статическими и кинемати-
ческими условиями.
Рассмотренные условия моделиро-
вания в рамках полного линейного по-
добия содержат большой набор индика-
торов, предельных соотношений и т. д.,
одновременное выполнение которых
сопряжено со значительными техничес-
кими трудностями, либо оказывается
вообще невозможным. Поэтому в прак-
тике моделирования инженерных конст-
рукций широкое распространение полу-
чило приближенное подобие. В отличие
от полного подобия, когда все индика-
торы подобия, включая масштабы без-
размерных величин, равны единице, при
приближенном моделировании допус-
кается нарушение соответствия между
моделируемым объектом и моделью в
части некоторых параметров, если такое
искажение подобия не очень существен-
но для рассматриваемой задачи, либо
может быть оценено аналитически или
экспериментально. При этом всесторон-
ней оценке неизбежных погрешностей
моделирования должно уделяться боль-
шое внимание, чтобы не допустить вы-
рождения подобия и получения оши-
бочных результатов.
Факторы, в отношении которых не
соблюдается подобие, могут быть разно-
образными: невоспроизведение на моде-
ли технологических особенностей сое-
динений и остаточных напряжений в
элементах конструкций; различие
свойств материалов модели и оригина-
ла, приближенное подобие геометричес-
кой формы и распределения действую-
щих усилий (например, от собственного
веса), увеличенные по отношению к на-
туре деформации модели и т. д. Рас-
смотрим некоторые наиболее распрост-
раненные случаи приближенного моде-
лирования.
Моделирование при Учет
влияния неодинаковых значений коэффи-
циента Пуассона материалов модели
и натуры можно провести несколькими
способами. Для плоского напряжен-
ного состояния С. Г. Лехницким
было предложено изготовлять две моде-
ли с существенно разными коэффициен-
тами Пуассона цМ] и цМ2> при этом
масштабы геометрического и силового
подобия моделей могут быть любыми.
Напряжение в натурном объекте он
определяется как разность эксперимен-
тально полученных напряжений oMi и
Ом2 в сходственных точках каждой мо-
дели, компоненты которых умножены на
соответствующие корректирующие
коэффициенты и константы подобия.
Например, в частном случае обобщен-
ного плоско-напряженного состояния,
когда натура и обе модели геометричес-
ки тождественны, масштаб сил рг=1,
СТн = <Тм1(М-Н—^м2)/(ИМ1 — НМ2) —
-%(»*„-%) /(иМ1 — НМ2) .
Одним из распространенных прие-
мов оценки погрешностей моделирова-
ния, обусловленных различием коэффи-
циента Пуассона материалов модели и
натуры, является построение функций
влияния выражений, входящих в реше-
ния задач теории упругости: 1+ц;
1—ц2; ц/(1—ц); 1—2ц и др. Такие
функции влияния позволяют для опре-
деленного диапазона соотношений ком-
понентов деформаций (e2/ei, ез/ei) оце-
нивать масштаб выражений, содержа-
щих ц. Например, анализ масштаба
10 2 Условия подобия 205
(1—ц2)г в уравнении изгиба пластинок,
защемленных или шарнирно опертых по
контуру, показал, что при исследовании
стальной пластины (цн = 0,28) на моде-
ли из органического стекла (цм = 0,36)
погрешность определения напряжений
может достигать 30%, а при коэффи-
циенте Пуассона модели р.м = 0,5 до
80%.
Наибольшие погрешности прибли-
женного моделирования в отношении
невыполнения условия |ir = 1 следует
ожидать в тех областях исследуемого
объекта, где велико среднее напряже-
ние Оср. Прежде всего это относится
к трехмерному растяжению, возникаю-
щему вблизи концентраторов напряже-
ний (отверстий, надрезов) в растянутых
толстостенных элементах.
В том случае, когда технологичес-
кие трудности не позволяют воспроиз-
водить в модели поперечное сечение
требуемой формы и размеров, как это
имело место при моделировании несу-
щей способности оболочки, либо, когда
для повышения точности измерений
необходимо увеличить деформации мо-
дели, приходится использовать геомет-
рически аффинное подобие. Следует,
однако, иметь в виду, что полное гео-
метрическое подобие становится совер-
шенно обязательным, например, при
исследовании устойчивости элементов
конструкций.
При необходимости аффинного
преобразования формы сечения упругой
пластины связь между масштабами
длин в направлении координатных осей
и масштабом деформации 8Г можно по-
лучить с помощью преобразования сле-
дующих уравнений:
ех= — zcPay/dx2; е« =—zd2ay/d#2;
уху = —2гс12ш/dxdz/. (10.24)
Если масштабы в направлении осей
х, у (в плоскости пластины) равны
Xr = yr = lr и, следовательно, 8Х, г =
~Ъу, г = Уху, Г=£г, то с учетом того,
что Zr = wr = hr, выражение (10.24)
преобразуется к виду
er = Zr ’
где hr — масштаб толщины пластины.
Обычно по техническим причинам
бывает необходимо увеличить масштаб
в направлении толщины пластины
hr> lr\ при этом соответственно увели-
чиваются масштабы гг> 1 и wr> 1.
Такое увеличение деформаций и пере-
мещений элементов модели позволяет
повысить точность измерения этих пара-
метров. При моделировании статически
определимых систем увеличение мас-
штаба деформаций гг> 1 вполне допус-
тимо при условии, если за счет увели-
ченных перемещений не возникнут до-
полнительные связи, превращающие
систему в статически неопределимую.
Приближенное подобие сил тяжести.
Если модель и натура выполнены из
одинакового материала, то согласно
h = grprlrE~x 8r-1=l, полное подобие
напряжений, вызванных действием соб-
ственного веса, реализуется лишь при
/г=1, т. е. невозможно даже масштаб-
ное моделирование.
Подобие распределения деформаций
в модели и натуре (&г = 1) выполняется
при
1г^Ег/Уг,
где yr=grpr — масштаб объемного веса соот-
ветствующих материалов.
Следовательно, выбор материала
модели (Е/у)г одновременно опреде-
ляет и требуемый геометрический мас-
штаб модели. Например, при исследова-
нии стальной конструкции с помощью
модели, выполненной из органического
стекла, масштаб (Е/у) r ~ 1 /10—1/15;
таким же должен быть и геометри-
ческий масштаб, если необходимо обес-
печить подобие распределения дефор-
маций. В случае, когда требуется уве-
личить масштаб деформаций, чтобы по-
высить точность их измерения, стремят-
ся подобрать для модели более низко-
модульный материал, либо увеличить
геометрический масштаб (например, до
1/5 вместо указанного выше 1/10—
206
Глава 10. Общие понятия о моделировании конструкций
1/15). Если необходимо изготовить мо-
дель из того же материала, что и нату-
ра, или когда нет возможности выпол-
нить ее в требуемом геометрическом
масштабе, увеличивают силу тяжести
путем центрифугирования модели или
дополнительный собственный вес соз-
дают соответствующим образом распре-
деленными внешними нагрузками.
Если целью испытаний является
моделирование только напряженного
состояния сооружения от действия соб-
ственного веса, то плотность материа-
ла модели должна быть увеличена
обратно пропорционально ее геометри-
ческому масштабу
. (10.25)
Для увеличения массы цементного раст-
вора или гипса в качестве заполнителя
используют свинцовую дробь.
При проведении исследований за
пределами упругости модель следует,
по возможности, изготовить из того же
материала, что и натурную конструк-
цию. В этом случае неполное подобие
напряженного состояния может быть
обусловлено только масштабным эф-
фектом. Природу масштабного эффекта
связывают с технологическими факто-
рами, поскольку они по-разному влияют
на однородность и механические свой-
ства материала в зависимости от фор-
мы и размеров сечений, а также с за-
пасом упругой энергии, накопленной в
деформируемой системе. Эта энергия,
естественно, возрастает с увеличением
размеров конструкции и способствует
более быстрому протеканию реологи-
ческих процессов.
Согласно статистическим гипотезам
в теле имеется большое число дефектов
различной степени опасности, которые
подчиняются некоторому распределе-
нию. Чем крупнее тело, тем больше ве-
роятность обнаружить первичный эле-
мент низкой прочности и тем ниже проч-
ность тела в целом. Следовательно,
с помощью статистических гипотез
можно объяснить лишь влияние мас-
штабного эффекта на прочность хруп-
ких тел, но не на их напряженное
состояние.
В упругопластической стадии дефор-
мирования увеличение размеров геомет-
рически подобных элементов, выпол-
ненных из одинакового материала и
нагруженных с соблюдением условий
подобия, приводит к изменению харак-
тера напряженного состояния и к непро-
порциональному (or//r=/:l) преобразо-
ванию градиентов напряжений. С уве-
личением масштаба модели влияние
всех перечисленных факторов снижает-
ся и, начиная с какого-то предела, ста-
новится несущественным. Поэтому при
моделировании работы конструкций
в упругопластической стадии деформи-
рования при выборе масштаба модели
необходимо обязательно проводить
оценку влияния рассмотренных фак-
торов.
Если при моделировании напряжен-
ного состояния конструкций в неупру-
гой области материал модели отли-
чается от натурного, то комплекс инди-
каторов подобия (10.19) оказывается
уже недостаточным. Введение дополни-
тельных условий моделирования суще-
ственно затрудняет проведение таких
исследований.
Сравнительно просто осуществля-
ется моделирование лишь в частном
случае, когда характер диаграмм «о—
е» деформирования материалов модели
и натуры соответствует схеме Прандтля.
В этом случае за пределами пропор-
циональности цг = 1 (поскольку для ма-
териалов и натуры, и модели ц = 0,5)
масштаб напряжений равен масштабу
пределов пропорциональности этих ма-
териалов — (оПц)г.
Кроме подобия диаграмм «о — 8»
нужно отметить еще две особенности
моделирования в неупругой области.
Во-первых, масштаб напряжений — пе-
ременная величина, определяемая для
каждой исследуемой точки конструкции
с помощью принятой диаграммы дефор-
мирования. Во-вторых, за пределами
упругости коэффициент поперечной де-
формации ц также величина перемен-
ная. Поэтому условие цг=1 реализует-
10.3 Постановка модельного эксперимента 207
ся лишь при полной идентичности за-
висимостей ц —8, построенных для ма-
териалов модели и натуры. Удовлетво-
рить это условие обычно не удается.
В последние годы разрабатываются
специальные модельные полимерные
материалы (поликарбонат и др.),
диаграммы деформирования которых
подобны определенным металлическим
сплавам.
10.3. Постановка
модельного эксперимента
Рассмотрены два основных
направления использования моделиро-
вания при исследовании строительных
конструкций — замена расчета опреде-
лением напряженно-деформированного
состояния идеализированных систем и
моделирование действительной работы
конструкции или моделирование осо-
бенностей работы материала в период
эксплуатации конструкции. От того, ка-
кие задачи ставятся при моделирова-
нии, зависит выбор масштаба, материа-
ла модели и средств измерения иссле-
дуемых параметров и способа нагруже-
ния модели.
Если моделируется расчетная схема
сооружения или модель служит для
определения внутренних усилий и пере-
мещений в упругой стадии работы кон-
струкций, то стремятся назначать мини-
мальные масштабы модели (1/200—
1/50), исходя из возможностей ее
изготовления и требований точности
измерения деформаций и перемещений.
В этом случае используются сравни-
тельно низкомодульные материалы, к
которым предъявляются требования
стабильности упругих характеристик,
малой ползучести под нагрузкой, хоро-
шей механической обрабатываемости и
возможности надежного соединения
элементов. В качестве материала для
моделей оболочек сложной формы, мно-
гоэтажных зданий и пространственных
систем широко используется оргстекло
марки СОЛ-95, модуль упругости кото-
рого 3,5 • 102 МПа. При нагревании до
100 °C оргстекло размягчается и листу
можно придать заданную форму; орг-
стекло легко• механически обраба-
тывается и склеивается. Однако при
испытании моделей, изготовленных из
оргстекла, следует учитывать нели-
нейность диаграммы деформирования в
упругой области и проявление неболь-
шой ползучести под нагрузкой. Послед-
нее обстоятельство ограничивает время
опроса измерительных преобразовате-
лей. В том случае, когда анализ напря-
женного состояния предполагается вы-
полнять поляризационно-оптическим
методом, модель изготовляют из эпок-
сидной смолы, обладающей соответст-
вующими оптическими и механическими
свойствами (см. п. 11.3).
При испытании моделей, изготовлен-
ных из низкомодульных материалов,
необходимо учитывать возможное влия-
ние на работу моделей жесткости изме-
рительных преобразователей, их отпор-
ной реакции. Известны многочисленные
примеры, когда для измерений поверх-
ности прогибов модели оболочки, вы-
полненной из оргстекла, использова-
лись реечно-шестеренчатые индикато-
ры. Отпорное усилие прибора при пере-
мещении штока на 3—6 мм составляет
0,8—1,2 Н. Если масштабы 1Г= 1/100,
Ег^0,15, то масштаб сил Рг— 1,5-10“5
и установка 30—40 приборов, очевидно,
полностью исказит работу модели.
При изготовлении металлических
моделей обычно используются алюми-
ниевые сплавы с пределом пропорцио-
нальности более 300 МПа и модулем
упругости Е^7-104 МПа.
Модели арочных плотин, оснований
и массивных бетонных сооружений ча-
ще всего отливают из гипса. Для удов-
летворения условия (10.25) увеличение
масштаба объемного веса достигается
добавлением в раствор наполнителя в
виде свинцовой дроби, либо действие
собственного веса сооружения компен-
сируется внешней нагрузкой. С этой
целью в тело модели в процессе отлив-
ки закладываются анкерные элементы,
к которым с помощью стальных троси-
ков прикладывается усилие от домкра-
тов.
208 Глава 10 Общие понятия о моделировании конструкций
Для статического нагружения ма-
ломасштабных моделей оболочек, ви-
сячих покрытий, структурных систем
используются мешочки со свинцовой
дробью, подвешиваемые грузики. Воз-
можность варьирования схем нагру-
жения на стадии обработки и анализа
данных эксперимента может быть полу-
чена при использовании принципа нало-
жения. С этой целью осуществляется
многократное изменение положения на
модели единичной силы; последняя
прикладывается с помощью скобы,
изготовленной из стального прутка диа-
метром 6—8 мм. Один конец скобы
устанавливается в заданных точках по-
верхности модели; к другому концу под-
вешивается груз. После каждой пере-
становки скобы снимаются показания
по всем приборам. Недостатком прин-
ципа наложения является неизбежное
накопление погрешностей при суммиро-
вании эффектов влияния особенно в
области малых значений измеряемых
величин. Измерения перемещений сле-
дует выполнять с помощью электроме-
ханических преобразователей; измере-
ние относительных деформаций — тен-
зорезисторами.
При проведении динамических испы-
таний маломасштабных моделей нужно
учитывать два обстоятельства: во-пер-
вых, влияние массы приборов, установ-
ленных на модели, и стремиться к тому,
чтобы присоединенная масса была ми-
нимальной; во-вторых, учитывать тот
факт, что масштаб частоты колебаний
модели обратно пропорционален квад-
рату ее геометрического масштаба.
В связи с этим, даже при изучении форм
колебаний маломасштабных моделей
целесообразно устанавливать не вибро-
метры, а миниатюрные акселерометры
и перемещение определять двойным ин-
тегрированием Выходного сигнала.
При моделировании действительной
работы конструкции, изучении стадии
появления шарниров пластичности, а
также когда ставится задача оценить
путем испытания модели несущую спо-
собность и характер разрушения реаль-
ного сооружения,— масштаб модели
Рис 10 1 Изменение формы
колебаний модели
10-этажного панельного
здания при увеличении
инерционной нагрузки
назначается по возможности большим
(1Г= 1/5—1/10), а механические свой-
ства материала — близкими к натур-
ным. Например, при исследовании несу-
щей способности 10-этажного панель-
ного здания модель представляла собой
симметричный фрагмент, состоящий из
двух конструктивных ячеек, размером в
плане 3X3,3 м и высотой 7,6 м (1Г =
= 1/4). Частоту свободных колебаний
и логарифмический декремент колеба-
ний модели в исходом состоянии опре-
деляли при импульсном воздействии.
Изменение динамических характерис-
тик системы в зависимости от уровня
динамической нагрузки изучали вибра-
ционным методом. Суммарную инер-
ционную нагрузку при колебании моде-
ли в резонансном режиме варьировали
в диапазоне от 10 до 70 кН, что дости-
галось заменой дебалансов в виброма-
шине. Виброметрами, установленными
по периметру каждого этажа, измеря-
лись горизонтальные перемещения по
высоте модели и вертикальные смеще-
ния основания. По результатам обра-
ботки осциллограмм были построены
формы колебаний модели (рис. 10.1).
Числа на кривых показывают значе-
ния инерционной нагрузки в кН. На ри-
сунке показано, что в процессе увеличе-
ния нагрузки изменяется форма коле-
баний модели, что свидетельствует о
расстройстве связей, об изменении
расчетно-конструктивной схемы.
Глава 11
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ
СООРУЖЕНИЙ
ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ
11.1. Аналоговое моделирование
Физическое моделирование
строительных конструкций использует-
ся тогда, когда модель и моделируемый
объект имеют одну и ту же физическую
природу. Явление, процесс, система мо-
гут исследоваться и путем опытного
изучения какого-либо явления иной фи-
зической природы, но описываемого
теми же математическими соотношения-
ми, что и моделируемое явление.
Такое предметно-математическое
или математическое моделирование
(последний термин не совсем точен, но
общепринят) широко применяется для
замены изучения одних явлений други-
ми — более удобными для лаборатор-
ных исследований. Удобство заключает-
ся в том, что в условиях лаборатории
проще провести измерение интересую-
щих нас параметров при гибком изме-
нении параметров исходной системы.
Методы и средства аналогового мо-
делирования определяются типом рас-
сматриваемых конструкций и их рас-
четными схемами, которые предопреде-
ляют соответствующее математическое
описание объекта. Рассматривая ту или
иную строительную конструкцию, созда-
вая ее расчетную модель, мы вынужде-
ны идеализировать работу сооружений
и не учитывать факторы, носящие вто-
ростепенный характер. В этом плане за-
мечательно высказывание Ф. Энгельса:
«Если бы мы захотели ждать, пока ма-
териал будет готов в чистом виде для
закона, то это значило бы приостано-
вить до тех пор мыслящее исследование,
и уже по одному этому мы никогда не
получили бы закона»*.
Расчетная модель является той
абстракцией, которая позволяет пере-
бросить мост между объективными
* Энгельс Ф. Диалектика природы. К. Маркс,
Ф. Энгельс//Соч.: 2-е изд.— T. 20.— С. 555.
фактами, вскрытыми при изучении ра-
боты реальных конструкций, и условия-
ми, которые позволяют проектировать
и создавать новые строительные конст-
рукции и сооружения. Расчетной моде-
ли сооружения всегда можно поставить
в соответствие объект, например элект-
рическую или электронную схему, закон
распределения токов и напряжений в
которой будет соответствовать закону
распределения усилий в расчетной мо-
дели сооружения.
Такое соответствие базируется на
понятии аналогии, т. е. на сходстве
предметов в каких-либо их свойствах.
В этом случае значение, полученное из
рассмотрения какого-либо объекта (мо-
дели), переносится на другие менее
доступные для исследования объекты.
Аналогии, существующие между элект-
рическими, механическими, гидравли-
ческими, акустическими и другими сис-
темами, с успехом используются физи-
ками и техниками при исследованиях
и расчетах. Использование аналогий
позволяет автоматизировать расчет и
наиболее эффективно получить конеч-
ный результат. Методы моделирования
могут быть охарактеризованы данными,
приведенными на рис. 11.1.
Модели-аналоги представляют со-
бой объекты, физическая природа ко-
торых отлична от природы моделируе-
мого сооружения. Так, электрические
и электронные схемы замещения могут
быть использованы при изучении стати-
ки и динамики стержневых систем, ког-
да каждому элементу системы ставится
в соответствие некоторый участок раз-
ветвленной электрической или электрон-
ной цепи.
Сеточные интеграторы выполняют те
же функции, что и схемы замещения,
но применительно к двумерным объек-
там, образами которых являются плас-
тины, плиты, пологие оболочки.
210
Глава 11 Моделирование работы сооружений при различных воздействиях
Электролитические ванны позво-
ляют определять распределение напря-
женного состояния в плоских и прост-
ранственных объектах. Те же функции,
но лишь для плоских объектов, выпол-
няют твердые модели, выполненные из
полупроводящих материалов.
При использовании моделей-анало-
гов отпадает необходимость в каждом
отдельном случае составлять исходные
дифференциальные или интегральные
уравнения задачи, хотя создание этих
моделей связано с установлением адек-
ватности математического описания по-
ведения исходного объекта и модели.
Для моделей-аналогов характерно то,
что они имеют, как правило, узко нап-
равленную область использования, свя-
занную с рассмотрением конкретного
типа сооружений.
Значительно более широкой об-
ластью использования характеризуются
машины непрерывного действия. Ис-
пользование электроинтеграторов и
анализаторов связано с необходи-
мостью математического описания пове-
дения объекта, что приводит к необхо-
димости рассмотрения дифференциаль-
ных, интегральных и интегро-дифферен-
циальных уравнений, описывающих по-
Рис 111 Схема связей
методов моделирования
ведение исходной моделируемой сис-
темы. Решение отмеченных задач в нас-
тоящее время существенно упрощено,
так как для этой цели имеются соот-
ветствующие комплексы, выпускаемые
отечественной промышленностью.
Машины дискретного счета, элект-
ронные цифровые вычислительные ма-
шины позволяют моделировать работу
различных систем. Такое моделирова-
ние позволяет учесть вероятностную
природу прочностных свойств материа-
ла, изменчивость действующих нагру-
зок, отклонение реальной схемы соору-
жения от расчетной.
Современный арсенал методов и
средств математического моделирова-
ния достаточно широк и позволяет
охватить различные проблемы, связан-
ные с задачами статики, динамики,
устойчивости конструкций.
Простейшим примером использова-
ния метода аналогий является построе-
ние электрической схемы, моделирую-
щей поведение изгибаемого стержня.
Рассмотрим изгибаемый элемент, пред-
ставленный на рис. 11.2., а. Жесткость
Ill Аналоговое моделирование 211
Рис 112 Схема моделирования изгибаемого
электрического стержня
стержня £7, пролет /. На концах элемен-
та действуют моменты Mi и М2, на
стержень действует произвольная
нагрузка q(x), опоры стержня полу-
чают заданные смещения у\ и у%. Опор-
ные сечения при этом повернутся на
углы соответственно ди и ф2. Любая
плоская стержневая система может
быть представлена как совокупность
стержней, при этом должны быть учте-
ны условия совместности усилий и пере-
мещений в узлах.
Принимая показанные на рис. 11.2,
а направления усилий и перемещений
за положительные и используя основ-
212 Глава ] 1 . Моделирование работы сооружений при различных воздействиях
ные выражения, которые выводились в
строительной механике при рассмотре-
нии метода перемещений, установим
следующие зависимости между усилия-
ми и перемещениями:
М, =2El(2<р,+ q>2-3i|>)/Z-2<o(3v- 1)/Z;
М2= —2Е1 (<р। +2<р2—3i|i)/Z—2o)(3u— 1)/Z,
(H-l)
А{-А°=-6Е1(^ + ч)2-2^/ l2-
— беи (.u— v)/l2 ;
(Ч-2)
42-40 = 6£/((pf+(p2-2x|))//2 +
4- 6(о (и — v)/l2 ,
Ф1=/Л41/ЗЕ/ + /М2/6Е/+4Ф/£/4-г|); j
<P2 = - Ш j /6Е/ - /М 2/3£/ - A */El + x|> J
(11.3)
Поставим в соответствие рассматри-
ваемому изгибаемому стержню неко-
торую электрическую цепь, представ-
ленную на рис. 11.2, в. Здесь приняты
обозначения: ei, е2, ео — напряжения
на источниках питания постоянным то-
ком; /?1, /?2, /?з — омические сопротив-
ления (в случае питания цепи пере-
менным электрическим током вместо
омических сопротивлений вводятся
емкости и индуктивности); Л и /2—
электрические токи, протекающие в ле-
вом и правом контурах при создании
соответствующих напряжений Vi и У2.
Если воспользоваться вторым зако-
ном Кирхгофа для обоих контуров, то
можно записать
и1=(^1 + /?з) Л +^3 ^2 + е1 +е0 ’
где ^=(^2—^/1)//.
В соответствии с рис. 11.2, б, на ко-
тором представлена эпюра изгибающих
моментов Мр в простой шарнирно опер-
той балке (со — площадь эпюры момен-
тов, и и v, соответственно доли проле-
тов, характеризующие положение цент-
ра тяжести эпюры Мр от левой и правой
опор); Af и А$ —реакции в простой
балке, если за нагрузку принять ту,
которая распределена по закону эпюры
Мр.
Учитывая, что
М1-м2=/(л1-л0) = -/(л2-л0) = -дс/,
где AQ — та часть поперечной силы, которая соз-
дается только опорными моментами; Л? и Л2 —
опорные реакции в простой балке только от
нагрузки q(x\
после преобразования выражений
(11.1) и (11.2) можно записать
^2~ *зЛ (^2^"^з) J2 е2^~е0'
(11.4)
Сопоставляя уравнения (11.3) и
(11.4), нетрудно выявить единство их
структуры. Если создать электрическую
цепь, у которой
/?14-/?з = //3£7; Rt = l/bEE /?2 + /?3 = //3£/;
ех=А^/ЕГ, е2 = А$/ЕГ, eQ = ty ,
то непосредственным замером токов и
напряжений /2, V\ и У2 были бы най-
дены значения моментов Afi и М2, а
также углы поворотов <pi и <р2 в изги-
баемой балке. Однако при практическом
создании моделирующей цепи оказы-
вается целесообразным ввести соответ-
ствующие масштабные коэффициенты:
m R— масштаб сопротивлений, Ом-НХ
Хм; m у—масштаб напряжений, В;
m j—масштаб тока, Н-м*А-1.
Ill Аналоговое моделирование 213
Связь между параметрами электри-
ческой цепи и характеристиками изги-
баемого элемента теперь можно пред-
ставить в виде
R1 = /?2 = = Im R/6EI;
ех=А^ту/Е1\ е2=А$ту/Е1; eQ = ^my ,
причем масштабные коэффициенты в
соответствии с законом Ома связаны
соотношением т^т f=m R
Изгибающие моменты и углы пово-
рота определяются как
М2=/2/гг; ;
(11.5)
<p2=V2/mv.
Моделирование граничных условий
подчиняется выражениям (11.5). Если
конец изгибаемого элемента свободно
оперт, то в этом случае ток в соответст-
вующем контуре должен быть равен
нулю, так как момент на опоре равен
нулю, следовательно, рассматриваемый
контур должен быть разомкнутым. При
этом возникает разность потенциалов
на разомкнутых клеммах, которая дает
возможность найти угол поворота попе-
речного сечения на опоре. Если конец
балки защемлен, то угол поворота попе-
речного сечения равен нулю, но возни-
кает опорный момент. В этом случае
соответствующий электрический контур
должен быть замкнутым. В нем будет
протекать некоторый ток, определяю-
щий момент, а падение напряжений на
клеммах будет равно нулю.
При упругоподатливом опирании
конца стержня при моделировании меж-
ду клеммами в контуре должно быть
введено сопротивление
Ек=кЕг,
где к — коэффициент податливости соответст-
вующей опоры относительно поворота, т. е. угол
поворота заделки, который будет иметь место
при действии единичного момента.
Следует иметь в виду одно важное
обстоятельство, которое связано с точ-
ностью моделирования. При подборе
элементов электрической моделирую-
щей цепи их параметры необходимо
выбирать так, чтобы погрешность моде-
лирования была сведена до минимума.
В частности, сопротивление источников
питания должно быть на два-три по-
рядка ниже, чем сопротивления /?1, /?2 и
/?з. Это касается и сопротивления ком-
мутационных проводов. Параметры
приборов, измеряющих ток и падение
напряжения, не должны влиять на рас-
пределение токов и напряжений (ампер-
метр должен иметь минимальное сопро-
тивление, вольтметр — максимальное).
Схемы замещения, аналогичные рас-
смотренной, могут быть построены для
элемента, испытывающего кручение,
при учете продольно-поперечного изги-
ба, для балки, расположенной на линей-
но деформируемом основании, для
стержня, находящегося в режиме гар-
монических колебаний и т. д. Все это
позволяет эффективно моделировать не
только плоские стержневые системы, но
и системы пространственные.
В качестве простого примера приве-
дем схему моделирования рамы, пред-
ставленной на рис. 11.3. На рис. 11.4
схема замещения рамы представлена
без указания ее параметров, которые
вычисляются по формулам (11.5).
Следует подчеркнуть, что схема заме-
щения рамы повторяет ее конфигура-
цию. В электрической схеме, соответ-
ствующей узлам рамы, концы схем
замещения соединены, что обеспечи-
вает равенство потенциалов, а следо-
вательно углов поворота соединяемых
элементов. Жестким заделкам на опо-
рах соответствует замыкание контуров,
шарнирным опорам — разрыв. При мо-
делировании рамных конструкций, узлы
которых имеют возможность смещать-
ся, требуется построение итерационного
процесса, связанного с необходимостью
учета угла ф. Этот процесс может быть
проведен с помощью специальных сле-
дящих электронных систем.
Электрическое моделирование плос-
кой задачи теории упругости построе-
но на развитии идей, сформулирован-
ных выше. Как известно, напряженное
214
Глава II Моделирование работы сооружений при различных воздействиях
состояние в плоской задаче теории уп-
ругости определяется бигармоническим
уравнением относительно функции нап-
ряжения ф, причем в прямоугольной
системе координат х и у можно запи-
сать
дх2 ду2 ду4
(И.6)
Напряжения связаны с функцией
напряжений известными соотношения-
ми
G =----- , (У =-— ,
' ду2 у дх2
=— (и-7)
ХУ дх ду v 7
Для целей электромеханического
моделирования уравнение (11.6) сле-
дует представить в виде двух уравне-
ний:
уравнения Пуассона
^+±У=Ф
дх2 ду2
и уравнения Лапласа
д2Ф д2Ф
дх2 ду2
рамы
Каждое из этих уравнений может
моделироваться сеткой омических соп-
ротивлений, представленной на
рис. 11.5. Одноименные узлы сеток ф и Ф
соединены цепями, включающими оми-
ческие сопротивления,существенно пре-
вышающими сопротивлений, входящие
в сетки ф и Ф.
В случае односвязной моделируемой
области объекта теории упругости на ее
границах должны удовлетворяться
соответствующие граничные условия
<p=/i(s); (11.8)
dq/dn=f2(s), (11.9)
где dcp/dn — нормальная^ производная; s —
координата вдоль контура.
Функции fi(s) и /2(5) определяются
на основе так называемой рамной ана-
логии, предложенной А. П. Синицыным.
Суть ее заключается в следующем:
пусть задана некоторая плоская об-
ласть, представленная на рис. 11.6. По
контуру области действуют заданные
нагрузки. Рассмотрим некоторую раму,
повторяющую своим очертанием кон-
тур. Сделаем в произвольной точке раз-
рез, чтобы превратить замкнутую раму
в статически определимую. Если теперь
в статически определимой раме пост-
роить эпюру моментов, то она определит
функцию fi(s), а эпюра поперечных
сил определит функцию /г($).
Решение задачи на схеме-аналоге
осуществляется следующим образом:
на сетке ф создается граничное условие
(11.9). Затем путем подачи напряжения
на границы сетки Ф следует добиться
удовлетворения на сетке ф граничного
условия (11.8).
После этого, замеряя напряжения
в узлах сетки ф и используя конечно-
разностное представление формул
11.1. Аналоговое моделирование 215
Рис 11 5. Схема
электромеханического
моделирования плоской
задачи теории упругости
Рис 116 Рамная аналогия
(11.7), следует найти напряжения, учи-
тывая соответствующие масштабные
коэффициенты. Необходимо отметить,
что имеются соответствующие автома-
тические следящие системы, которые
позволяют как организовать процесс
удовлетворения граничным условиям,
так и определять напряжения в упру-
гом теле при заданных граничных усло-
виях.
Задача о давлении жесткого штам-
па на упругое полупространство являет-
ся классической по своей постановке,
но ее численное решение при сложных
формах штампа весьма затруднительно.
Решение этой задачи можно получить,
если воспользоваться аналогией между
задачей теории упругости и задачей о
распределении стационарных электри-
ческих токов в проводящей среде. В
рассматриваемом случае в качестве та-
кой среды целесообразно взять электро-
лит (раствор медного купороса C11SO4),
заключенный в медную ванну полусфе-
рической формы.
Аналогия здесь построена на том,
что упругое полупространство характе-
ризуется упругим потенциалом фу, а
поле стационарного электрического
тока — электрическим потенциалом
фэ, причем известны зависимости
— 1 (С 1 ff
2лЕ jj г ’ 2лу JJ г3
где ц — коэффициент Пуассона, Е — модуль
упругости материала; а — напряжение под
штампом площадью S; г — расстояние между
элементарной площадкой под штампом и точ-
кой, для которой записано выражение потен-
циала; J — платность электрического тока; у —
электрическая проводимость среды; — пло-
щадь электрода на поверхности электролита;
гэ — то же, что и г, но для электролита.
С помощью соответствующих фор-
мул может быть установлена связь меж-
ду распределением напряжений в элект-
ролитической ванне и напряжениями и
смещениями в упругой полуплоскости.
Схематически установка для моделиро-
вания представлена на рис. 11.7. На
электрод 2, своей формой повторяющий
жесткий штамп, и на корпус ванны 5 с
электролитом 4 подается разность по-
тенциалов от источника питания 1. С
помощью измерительного прибора 3
определяется разность потенциалов в
216
Глава 11. Моделирование работы сооружений при различных воздействиях
Рис 117 Схема
моделирования упругой
полуплоскости
Рис 11.10 Символическая
схема решения
дифференциального
уравнения
Рис 118 Моделирование
динамической системы
а) б) в) г)
б) е)
ж)
Рис 119 Основные
операционные электронные
устройства
точках и по соответствующим форму-
лам определяются напряжения.
В гидродинамике и аэродинамике
электрическое моделирование приме-
няется для исследования установивше-
гося течения идеальной жидкости,
движения грунтовых вод в фильтрирую-
щей среде, установившегося течения
жидкости и газа в различных трубопро-
водных сетях и в задачах колебания
жидкости или газа в гидродинами-
ческих системах. Этот метод основан на
аналогии между законами распределе-
ния электрического поля тока в прово-
дящей среде и потенциального гидро-
динамического поля идеальной жидкос-
ти или газа. Чтобы убедиться в этом,
следует сопоставить следующие уравне-
ния:
для электрического поля в проводя-
щей среде
11.1. Аналоговое моделирование
217
Е= —=-grad(p3;
5 Ids — /, div/=O, rot£ = 0,
S
для потенциального гидродинамическо-
го поля идеальной жидкости
W = — grad(pr;
J pWdS — G; divp№ = 0;
rotr=0,
где фэ — электрический потенциал; Е_—вектор
напряженности электрического поля; J — вектор
плотности тока; у — удельная электропрово-
димость; J — ток, J =dq/dt (q — заряд, t — вре-
мя) ;_фг — гидродинамический потенциал скорос-
ти; W — вектор скорости; р — плотность жидкос-
ти; G — расход массы; G = dV/dt (V—масса
жидкости).
Наряду с задачами статики сплош-
ной среды, решение которых приводит
к рассмотрению дифференциальных
уравнений в частных производных,
большой практический интерес пред-
ставляет исследование задач динамики,
специфика которых заключается в том,
что произвольной переменной является
время и вместо краевых уловий рас-
сматриваются начальные условия. Мо-
делирование этих задач обладает опре-
деленной спецификой, что заставляет
обратить на них особое внимание.
Рассмотрим механическую систему
(рис. 11.8, а), обладающую массой т,
перемещающуюся со скоростью и,
воспринимающую действие нагрузки
Q(/) и включающую жесткостной эле-
мент с податливостью е и элемент
вязкого сопротивления с параметром с.
Уравнение динамического равнове-
сия на основании принципа Даламбера
может быть записано в виде
m-^-4-cu-h vdt = Q(t). (11.10)
На рис. 11.8, а представлена первая
система аналогий, на схеме б — вто-
рая. В соответствии со вторым законом
Кирхгофа для схемы, представленной
на рис. 11.8, б можно записать
z-ir+/?/+'^wz=vw> (11Л1)
где L — индуктивность; с — емкость; R — оми-
ческое сопротивление; J — электрический ток;
V — напряжение.
Для схемы, данной на рис. 11.8, в,
имеем
c4r+gV+z5Va7=/(z)’ (11Л2)
где g — омическая проводимость.
Сопоставляя уравнения (11.10),
(11.11), (11.12), необходимо отметить
их полную аналогию. Отсюда следует
вывод о том, что любую механическую
динамическую систему можно модели-
ровать соответствующей электрической
цепью, причем возможны два пути ре-
шения поставленной задачи в соот-
ветствии с двумя схемами построения
аналога.
Рассматривая более сложные дина-
мические системы, обладающие не-
сколькими степенями свободы, возмож-
но построить электрические схемы, поз-
воляющие решать задачи о колебании
механических систем. Развитие электро-
ники и в том числе микроэлектроники
в последние годы открыло перед иссле-
дователями новые широкие горизонты.
В этом плане весьма перспективным
оказывается применение аналоговых
электронных машин, серийно выпускае-
мых отечественной промышленностью.
Детальное изучение проблемы, свя-
занной с использованием современных
аналоговых машин требует специаль-
ных знаний в области электротехники,
электроники, теории систем автомати-
ческого регулирования, поэтому рас-
смотрим лишь основные понятия, позво-
ляющие объяснить идею использования
аналоговых машин.
На рис. 11.9 представлены основные
операционные электронные устройства,
выполняющие различные операции.
Инвертор а предназначен для измене-
ния знака величины, подаваемой на
вход. В усилителе б происходит умно-
жение подаваемой на вход величины
на постоянную величину. В сумматоре
в происходит суммирование подавае-
мых на вход величин. В интеграторе
218
Глава 11 Моделирование работы сооружений при различных воздействиях
г происходит интегрирование во време-
ни величины, подаваемой на вход. В
умножителе <5 происходит перемноже-
ние двух переменных величин. Делитель
е предназначен для деления одной
функции на другую. И, наконец, регист-
ратор ж фиксирует исследуемую вели-
чин} .
Используя отмеченные выше блоки
выполнения различных операций и до-
бавляя к ним блоки создания правых
частей дифференциальных уравнений и
нелинейные блоки коэффициентов урав-
нений, можно компоновать электронные
схемы, позволяющие моделировать ши-
рокий класс задач, связанных с расче-
том инженерных конструкций. Для при-
мера приведем символическую схему
простейшей задачи о колебании систе-
мы с одной степенью свободы при нали-
чии вязкого трения и гармоническом
воздействии на входе. В этом случае
можно записать следующее дифферен-
циальное уравнение
w Н-Еш+Хш — Q(f), (11.13)
где 8 — параметр вязкого трения; X — квадрат
собственной частоты; Q (/) — внешнее воздейст-
вие, которое может быть сформировано путем
использования соответствующей электронной
аппаратуры.
При гармоническом воздействии це-
лесообразно использовать звуковые
генераторы. Символическая схема зада-
чи, определяемой уравнением (11.13),
представлена на рис. 11.10.
11.2. Математическое
моделирование
Широкое применение в практи-
ке расчетов и проектирования современ-
ных электронных вычислительных ма-
шин, обладающих высоким быстродей-
ствием, открыло перед исследователями
неограниченные возможности, которые
не представляют принципиальных за-
труднений в многократном расчете
строительных конструкций при измене-
нии исходных параметров, а также и
математического описания задачи. В
такой постановке решение проблемы по-
лучило наименование машинного экспе-
римента.
Можно разграничить два качествен-
но различных подхода к решению ука-
занной проблемы.
С одной стороны, это традиционный
подход. Он заключается в том, что
проектировщик рассчитывает несколько
вариантов конструкций. В результате
сравнения их по тем или иным показа-
телям выбирает лучший вариант. Опыт
показывает, что реально при этих усло-
виях можно сопоставить три — пять ва-
риантов, не более, так как при увели-
чении числа вариантов экономия, дос-
тигнутая в результате выбора опти-
мального варианта, будет погашена те-
ми расходами, которые затрачены на
процесс проектирования. При исполь-
зовании ЭВМ картина резко изменяет-
ся. Целенаправленно перебирая воз-
можные варианты, исследователь мо-
жет получить действительно оптималь-
ный, в определенном плане (по массе,
по расходу материала, по приведенным
затратам, по долговечности и т. д.),
вариант. С этой точки зрения весьма
эффективным является использование
при решении инженерных задач совре-
менных методов математического прог-
раммирования — линейного, нелиней-
ного, динамического и т. д. Использо-
вание достижений современной мате-
матики открывает перед инженерами
новые пути, которые обладают на сегод-
няшний день еще далеко не полностью
вскрытыми резервами.
Одновременно необходимо указать
на еще одно перспективное направле-
ние машинного моделирования, свя-
занного с изучением поведения конст-
рукций при случайных нагрузках. В
этом случае известны эксперименталь-
ные, которые могут быть аппрокси-
мированы теоретическими, законы рас-
пределения исходных величин или
параметров случайных процессов. Не-
однократно рассматривая различные
ситуации и решая детерминированные
задачи, можно получить достаточную
статистическую информацию о выход-
ных величинах или процессах. Такой
11 3 Основы поляризацио нно-опт инее кого метода исследования напряжений. Голографическая интерференция.
Метод муаров 219
метод носит название метода Монте-
Карло т. е. численного метода решения
математических задач при помощи мо-
делирования случайных величин. Не
вдаваясь в математическое обоснова-
ние метода Монте-Карло, рассмотрим
лишь один пример, который в опреде-
ленной степени иллюстрирует возмож-
ность применения этого метода к реше-
нию инженерных задач.
Предположим, что на рамную сис-
тему действует стационарная эргоди-
ческая нагрузка от ветровых волн мор-
ского волнения. Известны функцио-
нальные не случайные характеристики
случайного процесса: корреляционная
функция или функция спектральной
плотности. По этим данным возможно
восстановить конкретную реализацию
случайного процесса. На полученный
детерминированный процесс произво-
дится расчет упругой системы. Полу-
ченная на выходе информация статисти-
чески обрабатывается, что дает возмож-
ность найти корреляционную функцию
или функцию спектральной плотности
на выходе системы (прогибы, моменты
и т. д.), а также построить функции
распределения или функции плотности
распределения. Одновременно пред-
ставляется возможность определить все
необходимые числовые характеристики
случайного процесса на выходе (сред-
ние арифметические, статистический
стандарт и т. п.).
11.3. Основы поляризационно-
оптического метода
исследования напряжений.
Голографическая интерферен-
ция. Метод муаров
Поляризационно-оптический
метод исследования напряжений заклю-
чается в исследовании напряжений в
деталях машин и строительных конст-
рукций на прозрачных моделях или на
непрозрачных моделях, поверхности ко-
торых покрыты тонким слоем из проз-
рачного материала. Если на первых эта-
пах своего развития поляризационно-
оптический метод применялся лишь для
моделирования работы упругих плоских
объектов при статическом воздействии
внешних нагрузок, то в настоящее вре-
мя эффективно развиваются методы
моделирования задач теории ползучес-
ти, теории пластичности, термоупругос-
ти, волновой механики и других не
только в плоских объектах, но и в
пространственных телах. Рассмотрим
основные положения поляризационно-
оптического метода.
Поляризационно-оптический метод
исследования напряжений основан на
свойстве прозрачных изотропных мате-
риалов — стекле, целлулоиде, желати-
не, пластмассе, эпоксидной и полиэфир-
ной смолах, органическом стекле —
становиться при деформировании опти-
чески анизотропными.
При определении напряженного сос-
тояния в тонкой пластинке (плоское
напряженное состояние) напряжения
ох, оу и тху = тух могут быть определены
в соответствии со схемами, представ-
ленными на рис. 11.11, а, б, причем из
теории упругости известны следующие
формулы:
(jx=(j1cos2a 4-(J2sin2a;
(jy = (j1sin2a4-(J2Cos2a; (11.14)
Tx£z = Tizv= l/2(ai — 02) sin2a,
где oi и 02 — напряжения, действующие по глав-
ным площадкам, на которых касательное напря-
жение равно нулю, предполагается, что 01^02;
a — угол, который определяет произвольно выб-
ранные взаимно перпендикулярные площадки.
Нормаль той, в которой действуют напряжения
<У1, составляет с осью х угол а.
Вычитая из первого выражения
(11.14) второе и соответственно склады-
вая первое выражение со вторым, будем
иметь:
<Ъ — Gy—(<Ji — d2)cos 2a;
Or.v4-(Jy = (Jl 4-02-
Максимальные касательные напряже-
ния действуют под углом 45 ° к главным
площадкам и равны
Запишем уравнение равновесия плоской
задачи теории упругости при наличии
массовых сил
220
Глава И Моделирование работы сооружений при различных воздействиях
да дт до дт
—-Ч----^- = 0; +y = ,),
дх ду ду дх
где у — плотность материала.
При использовании поляризацион-
но-оптического метода исследуются мо-
дели реальных конструкций, причем
размеры моделей ограничены техничес-
кими возможностями используемой ап-
паратуры. В случае использования ли-
нейного подобия все одноименные вели-
чины модели и натуры связаны одними
и теми же масштабами. Так, геометри-
ческие размеры длины, ширины, толщи-
ны модели и натуры связаны соотно-
шением
/г = /м//н.
Связь между действующими сосре-
доточенными усилиями устанавливает-
ся в виде
Рг=Р»/Р\
Связь между напряжениями пред-
ставляется как
„ -М / л-Н
Qr = (J /О .
В соответствии с формулой о = Р/F,
определяющей напряжение при растя-
жении стержня с площадью поперечно-
го сечения F, можно сформировать
критерий подобия, накладывающий
связь на масштабные коэффициенты
Масштаб перемещений при этом
равен ог, масштаб модулей упругости
Рис 11 11 Связь
на пряже ний, дейс те ующих на
произвольной площадке,
с главными
равен ог. В общем случае коэффициен-
ты Пуассона модели и натуры цм и цн,
должны быть равными цм = рн. Если
рассматривается односвязная область,
то соблюдение последнего условия не
является обязательным.
В соответствии с выражением
(11.15) происходит подбор параметров
модели. Возможны различные способы
решения этой задачи, но наиболее часто
встречающаяся ситуация заключает-
ся в следующем: задан материал моде-
ли Ем и натуры Ен, масштабный коэф-
фициент Or, возможности используемой
аппаратуры обусловливают масштаб
линейных размеров /г. Из соотношения
(11.15) следует коэффициент ог.
В том случае, когда нагрузочные
устройства ограничены определенным
пределом и есть возможность подобрать
материал модели с необходимыми свой-
ствами, можно задаться коэффициента-
ми dr и /г, а из критерия (11.15) найти
масштаб ог.
Необходимо подчеркнуть, что в
реальных условиях при решении задач
приходится пользоваться аффинным по-
добием, когда одноименным по размер-
ностям величинам соответствуют раз-
ные масштабные коэффициенты.
Предположим, что моделируется
напряженное состояние стеновой пане-
ли, высота которой 300 см, ширина
600 см, толщина 20 см. Исходя из воз-
11.3. Основы поляризационно-оптического метода исследования напряжений. Голографическая интерференция.
Метод муаров 221
волн
Рис 11 12 Области
электромагнитных колебаний
Рис И 13 Схема поляри-
зации света
щины dr = d*/d\ тогда критерий подо-
можностей аппаратуры, требуется при-
нять /г= 1/40, при этом модель будет
иметь размеры 7,5 X 15X0,5 см. Очевид-
но, что решающим для модели будет
условие потери устойчивости, тогда как
предельное состояние натуры опреде-
ляет прочность материала. В описанной
ситуации при установлении размеров
бия (11.15) следует представить в виде
OrErdr РГ1 = 1.
В поляризационно-оптическом ме-
тоде используется световое (оптичес-
кое) излучение в диапазоне частот f
от 3-1011 до 3-1017 Гц. На рис. 11.12
представлены области электромагнит-
222
Глава И Моделирование работы сооружений при различных воздействиях
них волн, которые охватывают различ-
ные методы испытания материалов и
конструкций. В оптическом диапазоне
начинают отчетливо проявляться одно-
временно и волновые, и корпускулярные
свойства магнитного излучения.
Физическая оптика рассматривает
проблемы, связанные с природой света
и световых явлений. Эксперименталь-
ные исследования дифракции, интерфе-
ренции, поляризации света и распрост-
ранения света в анизотропных средах
указывают на то, что свет — это элект-
ромагнитные волны, которые в каждой
точке пространства могут быть охарак-
теризованы вектором напряженности
электрического поля Е и вектором нап-
ряженности магнитного поля Н. Векто-
ры Е и Н (рис. 11.13, а) почти всегда
взаимно перпендикулярны, поэтому для
полного описания света достаточно
знать поведение одного из них, причем
для этой цели обычно выбирают вектор
Е. Взаимная перпендикулярность век-
торов Е и Н нарушается в сложных
неоднородных волнах, в частности в ме-
таллах и при полном внутреннем отра-
жении, когда световой луч падает на
границу раздела двух прозрачных сред
из среды с большим показателем пре-
ломления под углом падения большим
предельного. В этом случае не происхо-
дит преломление луча во вторую среду.
Распространение естественного не-
поляризованного света б характеризу-
ется тем, что в каждой точке на оси,
определяющей направление распрост-
ранения света, вектор Е имеет произ-
вольное направление в плоскости, пер-
пендикулярной лучу волны 1. В свете,
поляризованном по эллипсу в конец
вектора Е в любой момент времени и в
любой точке оси проектируется на эл-
липс 2, в поляризованном по кругу г
свете — на круг 3. В плоскополяризо-
ванном свете g вектор Е всегда распо-
ложен в одной плоскости — в плоскости
колебаний 5. Плоскость 4, перпендику-
лярная плоскости колебаний и содер-
жащая ось 1 волны д, называется
плоскостью поляризации. Картину,
описывающую распространение света,
Рис. 11.14 Разложение
вектора Е
следует рассматривать как перемеще-
ние траектории 6 конца вектора Е.
Естественный свет является поли-
хроматическим, так как он описывается
суммой бесконечного числа гармоник,
имеющих различные длины волн. Рас-
пространение монохроматического
плоскополяризованного света определя-
ется выражением
E = Eosin (2nf/—2лХ/х4-фо),
где Ео — амплитуда напряженности электричес-
кого поля; f — частота волны, Гц; t — время, с;
X — длина волны, нм; х — координата рассмат-
риваемой точки оси; фо — начальная фаза, т. е.
фаза колебаний в момент / = 0 в точке х=0.
Широкое применение находят ртут-
ные лампы, излучающие свет двумя
волнами, длина одной 436 нм (фиоле-
товый цвет) и другой — 546 нм (зеле-
ный цвет), причем с помощью соответ-
ствующих светофильтров возможно от-
фильтровать свет с одной из указан-
ных выше длиной. Для плоской поля-
ризации света используются поляроид-
ные пленки, представляющие собой
набор одинаково ориентированных
кристаллов в твердой связующей среде.
Эти кристаллы обладают свойством
поглощения волн определенного нап-
равления. Если вектор Е (рис. 11.14)
разложить так, чтобы один из компо-
нентов, например Е2, совпал с отмечен-
ным направлением, то через поляроид
пройдет лишь волна, характеризуемая
вектором Е.
113. Основы поляризационно-оптического метода исследования напряжений. Голографическая интерференция
Метод муаров 223
6j = c(t\ —t3)=d(ni —Ис); 62 = с(г2 —/з) = ^(и2 —nc)-
Соответствующие относительные
разности фаз обоих колебаний равны
Рис. 11.15 Схема
прохождения волн сквозь
анизотропный оптически
чувствительный материал
При нормальном падении световых
волн на границу двух сред происходит
отражение и преломление волны. Отно-
шение средней энергии преломленной и
упавшей световых волн в случае про-
хождения света из воздуха в оптически
чувствительный материал составляет от
98 до 64%. Скорость распространения
света в среде зависит от показателя
преломления.
Оптически чувствительный изотроп-
ный материал обладает особенностью,
которая заключается в том, что до при-
ложения к нему нагрузок показатель
преломления п постоянен. При нагруже-
нии пластинки в ее плоскости проис-
ходит изменение показателей прелом-
ления, причем существуют направления
главных диэлектрических проницаемос-
тей, которым соответствуют главные по-
казатели преломления п\ и пг- В связи
с этим падающая плоскополяризован-
ная волна трансформируется в две вол-
ны (рис. 11.15). Если главные показа-
тели преломления различны, то обе вол-
ны будут распространяться в материале
С раЗНЫМИ СКОРОСТЯМИ U\=c/ri\ И U2 —
= с/п2. Время прохода волнами через
пластинку толщиной d соответственно
равно t\ = dn\lс и t2 = dri2lc. Если бы
отсутствовала пластинка, то волна
прошла бы расстояние d за время /3 =
=dnQlc, где пс — показатель преломле-
ния среды вне пластинки. Абсолютные
оптические разности хода равны
"i = —("1 “"о) ;
2nd
~ТЛП2
~по)
Почленно вычитая из первого выраже-
ния второе, будем иметь относительную
разность фаз
2лб/
(11.16)
В соответствии с уравнением Макс-
велла можно записать
п \ — п0 = С\О\ 4-С2а2;
г । г (И17)
п2 — По = С1<у24-С2(12,
где по— показатель преломления материала моде-
ли до нагружения.
По теории Максвелла оптическая
разность хода пропорциональна разнос-
ти главных напряжений, а направления
главных диэлектрических проницаемос-
тей соосны с главными напряжениями.
Вычитая из первого выражения
(11.17) второе, получим
П\ —П2=(С1 — С2)(О1 — o2) = C(oi — о2), (11.18)
где С — относительный оптический коэффициент
напряжений.
Подставляя выражение (11.18) в
формулу (11.16), будем иметь
л = ^-С(а,-а2). (И.19)
224 Глава 11. Моделирование работы сооружений при различных воздействиях
Если обозначить
Г = Cd(ai — (J2),
то получим формулу, называемую зако-
ном Вертгейма,
П = ^- г, (11.20)
Л
где Г — разность хода лучей.
Рассмотрим теперь схему прохожде-
ния монохроматического света через
скрещенный полярископ (рис. 11.16),
когда плоскости поляризации в поляри-
заторе 1 и анализаторе 2 взаимно пер-
пендикулярны. После прохождения по-
лярископа вектор напряженности элек-
трического поля лежит в плоскости ко-
лебаний и описывается выражением
Е = Eocosco/.
Попадая, в модель 3, вектор Е раз-
лагается на два компонента
Ei =Eocosco/cos0;
E2 = Eocos(otsin0,
где со — круговая частота, связанная с частотой
волны f соотношением (D = 2jtf, а 0 — угол, со-
ставленный главной осью напряжений и плос-
костью распространения волны.
После прохождения волны через мо-
дель происходит сдвиг фазы колебания
и процесс определяется компонентами
После прохождения волны через
анализатор имеем
Ех = Е{х—Е2х=Е\ sin 0—^2 cos 0 •
Описанная последовательность разло-
жения векторов представлена на рис.
11.17.
Производя элементарные тригономе-
трические преобразования, будем иметь
Ef=Eocos0cos(o/;
Е'2=Eosin0cos((o/ — л)-
Еx = Eq sin 0 cos 0 cos a>t—
11.3. Основы поляризационно-оптического метода исследования напряжений. Голографическая интерференция.
Метод муаров 225
— Eq cos 0 sin 0 cos((o/ — л) =
Л
= —Eq sin20 sin sin(<of —t)/2)=
=A sin(co/ — t]/2) ,
где A — амплитуда напряженности электричес-
кого поля, регистрируемая после прохождения
волной анализатора, причем А равна
А = — £osin20sinq/2.
Интенсивность света за анализато-
ром определяется соотношением
/=kEl sin2 20sin2 tj/2 ,
или с учетом формулы (11.20) выраже-
нием
/ = A’£osin220sin2^, (И.21)
А
где k — коэффициент пропорциональности.
В представленных выше соотноше-
ниях со — круговая частота, связанная
с частотой волны f соотношением со =
= 2л/, а 0 — угол между главной осью
напряжений и плоскостью распростра-
нения волны.
Прошедший через анализатор свет
может быть зафиксирован визуально на
экране и на фотопленке. При монохро-
матическом источнике света наблюда-
ются черные и белые полосы. При про-
свечивании полигармоническим светом
(естественным светом, лампой накали-
вания) наблюдается цветная картина с
черными пологами.
В тех областях, где направление
одной из главных осей диэлектрической
проницаемости совпадает с направле-
нием плоскости поляризации (0 = 0,
0 = л/2), интенсивность света оказыва-
ется равной нулю. Темные линии в со-
ответствующих областях моделей назы-
ваются оптическими изоклинами. Таким
образом, оптическая изоклина — это ге-
ометрическое место точек, в которых
ориентация главных осей диэлектричес-
кой проницаемости, а следовательно и
главных осей напряжения, одинаковы.
Угол, определяющий ориентацию этих
осей, называется параметром изоклины.
Чтобы определить направление главных
осей в какой-либо точке модели, про-
изводят синхронное вращение поляри-
затора и анализатора, сохраняя прямой
угол между их осями поляризации. При
этом изоклины в процессе совместного
поворота осей поляризатора и анализа-
тора изменяют свою конфигурацию.
В монохроматическом свете в про-
цессе этой операции большинство чер-
ных линий не изменяют свою конфигу-
рацию. Эти линии носят название полос
и их конфигурация определяется вто-
рым членом выражения (11.21). Этим
линиям соответствует отношение раз-
ности хода луча к длине волны, под-
чиняющееся условию
Г = пХ.
Таким образом, если сдвиг фаз ра-
вен: 0; 2л; 4л и т. д., то в этих точках
интенсивность света оказывается рав-
ной нулю. Геометрическое место этих
точек называется полосами, соответст-
вующими постоянному для каждой по-
лосы и разному для разных полос зна-
чению оптической разности хода, рав-
ной
6 = пХ. (11.22)
Величина п называется порядком и
устанавливается подсчетом количест-
вом затемнений, прошедших через ис-
следуемую точку в процессе загружения
модели.
Разность главных напряжений в уп-
ругой изотропной модели можно выра-
зить через порядок полосы. Из соот-
ношения (11.19) и (11.22) следует
а 1 —ci2 = Kn/(Cd).
Отношение к/С = а1,0 называется
ценой полосы материала. Тогда
си —а2 = ма1,0/^.
Цена полосы материала измеряется
в Н/см на одну полосу и представ-
ляет собой разность главных напряже-
ний, вызывающих в модели толщиной
d=l см появление одной полосы.
Значение цены полосы материала
226 Глава 11 Моделирование работы сооружений при различных воздействиях
определяется тарировочными испыта-
ниями.
Величина od, определяемая соотно-
шением
Orf = o1,0/d,
называется ценой полосы модели. Оче-
видно, что
Qi—-C>2 = n(5d. (11.23)
Следует отметить еще одну ха-
рактерную особенность картины, по-
лучаемой при просвечивании модели:
изоклины, изменяющие свои конфигу-
рации, могут иметь точки пересече-
ния, соответствующие изотропным
точкам, для которых 01 = 02.
Итак, при просвечивании модели
наблюдаются изоклины, конфигурация
которых изменяется при взаимном пово-
роте полризатора и анализатора, изо-
тропные точки, через которые проходят
все изоклины, получаемые при разных
углах 0, и полосы, которые сохраняют
свою картину, вне зависимости от угла
наклона плоскости поляризации в поля-
роиде.
Одновременное присутствие на изо-
бражении модели двух систем темных
линий (изоклин и полос) затрудняет на-
блюдения и замеры. В связи с этим
изображения изоклин следует убрать.
Это достигается постановкой между по-
ляроидом и моделью и между моделью
и анализатором пластинок, каждая из
которых вызывает разность хода в 1 /4
длины волны. Поляризационно-оптичес-
кая установка в этом случае показана
на рис. 11.18. Основными ее элементами
являются: источники света 1 — естест-
Рис. 11.18. Схема
поляр иза ционно-оптической
установки
венный свет, лампа накаливания, ртут-
ная лампа, кадмиевая лампа. Две по-
следние излучают свет, характеризуе-
мый двумя длинами волн соответствен-
но 436 и 546 нм, 578 и 644 нм; тепло-
фильтр 2, который защищает конденсор
3 от воздействия тепловых лучей; кон-
денсор — короткофокусная линза или
система линз, используемая в оптичес-
ких приборах для равномерного освеще-
ния рассматриваемого объекта; свето-
фильтр 4, поляризатор 5, пластинки
6, 8 в к/4 волны; модель 7, анализатор
9, объектив 10 и диафрагма //, пред-
назначенные для увеличения изображе-
ния; откидное зеркало 12 для визуаль-
ного наблюдения изображения, отража-
тель 13; фотопластинка 14, фиксирую-
щая изображение; экран 15, на который
проектируется изображение.
Следует отметить, что возможно раз-
личное взаимное расположение поляри-
затора и анализатора длины волны.
Изучение различных изображений, по-
лучаемых в разных случаях, позволяет
более полно познать сущность изучае-
мого явления.
Оптическую разность хода по всему
полю модели можно определить, рас-
сматривая картину, полученную при фо-
тографировании. Для этого необходимо
установить порядок каждой полосы. По-
рядок полосы можно определить путем
сопоставления полос на фотографиях,
последовательно, полученных при воз-
растании нагрузки. Номера полос
уменьшаются в направлении движения
11 3. Основы поляризационно-оптического метода исследования напряжений Голографическая интерференция.
Метод муаров 227
Рис. 11 19 Изоклины в балке
на двух опорах при
приложении двух сил
Рис. 11.20. Построение
траекторий главных
напряжений
полос при нагружении модели. В окрест-
ности точек, где разность хода экстре-
мальна, соседние полосы имеют один и
тот же порядок. Если известны изотроп-
ные точки, то им присваивается нуле-
вой порядок, а дальше идет увеличе-
ние порядка полос. После определения
порядка полос, разность главных напря-
жений находится по формуле (11.22).
При просвечивании модели белым
поляризованным светом наблюдаются
цветные полосы-изохромы. Каждый
цвет соответствует определенной опти-
ческой разности хода лучей Г. Имеются
таблицы, в которых указаны для каждо-
го цвета значение Г, например, для бе-
лого цвета — Г = 250 нм, оранжево-
го — Г = 425 нм, красного — Г = 550 нм
и т. д. Кроме того, перед испытанием
модели можно провести градуировку
на образце и найти требуемое соот-
ветствие.
Имеются и другие методы определе-
ния разности хода лучей.
По картинам изоклин (рис. 11.19)
можно построить траектории главных
напряжений. Для этого фиксируют изо-
клины при различных углах 9, что до-
стигается одновременным поворотом
поляризатора и анализатора. Каждая
изоклина имеет свой параметр, опреде-
ляемый этим углом (рис. 11.20). Далее
на каждую изоклину наносятся штрихи,
параллельные наклонной линии, распо-
ложенной под соответствующим углом
к горизонтали. Если теперь провести
плавную линию так, чтобы отмеченные
штрихи являлись касательными, то бу-
дет получена траектория главных на-
пряжений.
Итак, использование поляризацион-
но-оптического метода позволяет найти
разность главных напряжений oi—02,
а следовательно, максимальные каса-
тельные напряжения т max=(oi — о2) /2
и угол наклона главных площадок. Для
того чтобы найти непосредственно глав-
ные напряжения oi и а2, можно восполь-
зоваться механическим методом, для че-
го определяется деформация поперек
пластинки е, после чего главные нор-
мальные напряжения определяются из
решения системы уравнений
о, — о2 = поц;
01 4-02= — Ее/ц; (1Г.24)
где Е — модуль упругости; ц — коэффициент Пу-
ассона.
Существуют и другие методы разде-
ления напряжений, основанные как на
результатах дополнительных экспери-
ментов, так и на использовании диффе-
ренциальных уравнений.
Поляризационно-оптический метод
может быть использован при рассмот-
рении непрозрачных моделей, поверх-
ность которых покрыта слоем оптически
чувствительного материала, а при изу-
228 Глава 11. Моделирование работы сооружений при различных воздействиях
чении пространственных моделей из оп-
тически чувствительных материалов ис-
пользуется метод замораживания или
метод составных моделей.
На интерференции световых волн по-
строен метод голографии. Голографи-
ческая интерференция в реальном вре-
мени дает возможность регистрировать
прогибы изучаемого объекта, причем
результаты получаются в виде линий
уровней перемещений (контурных ли-
ний). Фотографии при этом дают воз-
можность получать линии уровней с
очень малым шагом в любой точке, а
визуальное наблюдение позволяет оце-
нить картину деформирования в целом.
При наличии мощного лазера и вы-
сокоскоростной камеры могут регистри-
роваться прогибы объекта при динами-
ческом загружении Разница в переме-
щениях точек на соседних контурных
линиях равна Х/2 (где X — длина волны
света). При использовании гелио-неоно-
вого газового лазера это означает при-
мерно 32 полосы на 0,01 см.
В процессе проведения эксперимента
(схема оптической установки представ-
лена на рис. 11.21) голограмма объекта
5 фотографируется до нагружения и ли-
бо проявляется на месте, либо после
проявления точно возвращается на свое
первоначальное место. Поскольку при
этом взаимное положение объекта и го-
лограммы 8 не изменилось, то образ,
восстановленный голограммой, накла-
дывается на объект.
Луч источника света 1 проходит че-
рез светоотделитель 13 и направляется
на зеркала 2 и 12. Отраженный луч от
зеркала 2 попадает в расширитель пуч-
ка 3 и проходит через линзу 4. Опорный
пучок 7 попадает на голографическую
пластинку 8. Луч, преломленный зерка-
лом 12, попадает в рсширитель 11, а
затем на 50%-ный светоотделитель 10,
образуя освещающий пучок 6, направ-
ленный на объект 5, 9 — точку съемки.
При приложении нагрузки, дефор-
мирующей объект, наблюдается интер-
ференция лучей света от объекта и его
образа. Интерференционные полосы
видны визуально при просмотре объек-
Рис. 11.21. Схема оптической
установки для получения
голограмм
Рис. 11.22. Схема оптической
установки для теневого
метода муаровых полос
та через голограмму. Установка может
быть сконструирована так, что интер-
ференционные полосы будут представ-
лять собой линии уровней перемещений,
нормальных к поверхности объекта.
Определение перемещений и дефор-
маций возможно путем использования
метода муаровых полос. Одним из наи-
более известных и удачных является
теневой метод муаровых полос (рис.
11.22). Точечный источник света 1 раз-
мещается на том же расстоянии, что и
линза 2 от сетки 5. Этим достигается
почти равномерная чувствительность
полос по всему полю изображения. Му-
аровые полосы образуются сеткой и ис-
каженной тенью на объекте. Чувстви-
тельность полос определяется выраже-
нием Aft=e/tg0 (где е — расстояние
между линиями сетки и угла; 0 — угол,
показанный на рис. 11.22). Контурные
линии представляют собой линии посто-
янных высот, отнесенные к плоскости
сетки.
ГЛАВА 12
МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ
И ДАВЛЕНИЙ В ГРУНТАХ
12.1. Измерение
напряжений в грунтах
Многообразие факторов, опре-
деляющих поведение грунтов под воз-
действием нагрузки, зачастую затруд-
няет создание достоверной аналити-
ческой модели их напряженного состо-
яния. Действительную картину напря-
женного состояния может вскрыть лишь
метрологически обеспеченный экспери-
мент, позволяющий проводить длитель-
ные статические или динамические
исследования грунта и изучение явле-
ний на контакте сооружения или конст-
рукции с грунтом.
Для изучения поведения грунтов и
оснований необходимо определять на-
пряжения, деформации, поровое давле-
ние, физико-механические и фильтраци-
онные характеристики грунта в основа-
ниях сооружений, при изменении внеш-
них воздействий на сооружение.
Напряженное состояние грунта оп-
ределяется совокупностью контактных
взаимодействий между зернами скелета
грунта, внутренних напряжений в зер-
нах скелета и давлением воды в порах
грунта. Понятие напряженного состоя-
ния в грунте относится к некоторой ко-
нечной, но малой зоне. Если в этой зоне
известны любые шесть независимых
компонентов напряжения (например,
шесть значений нормальных напряже-
ний на шести различно ориентирован-
ных площадках), то напряженное со-
стояние в зоне считается полностью оп-
ределенным.
Нормальные напряжения в грунте
измеряют путем помещения в заданную
зону искусственного тела — датчика
нормальных напряжений, деформации
или изменение объема которого могут
быть преобразованы в регистрируемый
(чаще всего электрический) сигнал.
Датчик должен иметь размеры, позво-
ляющие осреднять все факторы, опреде-
ляющие неоднородность напряжений в
рассматриваемой зоне.
Идеальный датчик должен обладать
деформативными характеристиками,
схожими с деформативными характе-
ристиками грунта, чтобы снизить влия-
ние неоднородного включения. Однако
деформативные характеристики грунта
зависят от ряда факторов, из которых
влажность, плотность, история нагру-
жения и характер напряженного состоя-
ния являются определяющими. Датчик
напряжений в грунте, если его механи-
ческие характеристики отличаются от
характеристик среды, является кон-
центратором напряжений в прилегаю-
щей к нему зоне, что является причиной
погрешности при определении напряже-
ний.
Если необходимо определить про-
странственную картину напряженного
состояния грунта, то в нем располагают
(рис. 12.1) несколько датчиков /, нор-
мали 2 которых ориентированы в раз-
ных направлениях. Возможно располо-
жение датчиков по одной оси (рис.
12.1, а) или их пространственная ориен-
тация (рис. 12.1, б).
При изучении работы ответственных
сооружений создается проект размеще-
ния измерительной аппаратуры с учетом
трасс прокладки линий измерительной
цепи, коммутаторов, мест расположения
регистрирующей аппаратуры. Проект
определяет последовательность прове-
дения всех работ и является частью про-
екта сооружения. Для получения досто-
верных результатов необходимо, чтобы
способ укладки и уплотнения грунта в
измерительной зоне и в прилегающих
к ней зонах не отличались. Датчики дол-
жны устанавливаться одновременно с
укладкой грунта в контролируемую зо-
ну. В местах установки датчиков следу-
ет отобрать пробы грунта с тем, чтобы
определить его физико-механические
характеристики. Поскольку добиться
полного соответствия деформативности
датчика и грунта не удается, выбор па-
раметров измерительных преобразова-
телей (датчиков) должен обеспечить
230 Глава 12 Методы изучения напряжений и давлений в грунтах
Рис. 12.1. Схема измерения
объемного напряженного
состояния в грунтах
требуемую точность измерения напря-
жений в грунте.
Экспериментально доказано, что в
условиях одноосной деформации дат-
чик должен обладать наибольшей жест-
костью и наименьшей толщиной. На рис.
12.2. приведены наиболее часто приме-
няемые схемы датчиков напряжений в
грунтах: а — с гибкой мембраной, б —
мембранный с жесткой шайбой Л в —
поршневой, г — типа «грибок». Во всех
конструкциях внутренняя полость дат-
чика может быть заполнена жидкостью,
изменение давления которой преобразо-
вывается в электрический сигнал при
помощи упругого элемента с наклеен-
ными тензорезисторами. Датчики могут
выполняться в виде сплошных шайб
из пьезокристаллов или из магнитостри-
кционных материалов. При одноосном
напряженном состоянии, если ось дат-
чика совпадает с направлением главно-
го напряжения, ошибки результатов не
превышают 10—15%.
При наличии напряжений, действую-
щих в плоскости датчика, обладающего
большой жесткостью, искажения вы-
ходного сигнала могут достигать 100%.
Для тонкого эластичного датчика (тон-
кая полость, заполненная жидкостью)
эти искажения не превышают 15%.
При изменении угла между направ-
лениями нормали к рабочей поверхнос-
ти жесткого датчика и осью максималь-
ного главного напряжения выходной
сигнал также претерпевает искажения в
пределах 20—25%. Исследования влия-
ния двух главных напряжений ог и ог,
действующих в плоскости рабочей по-
верхности датчика, при измерении
третьего главного напряжения, дейст-
вующего по нормали к поверхности дат-
чика, с учетом влияния режима нагру-
жения позволили установить картину
взаимодействия жесткого датчика и
грунта. Концентрация напряжений в
грунте для жестких дисковидных датчи-
ков при наличии значительных дефор-
маций в грунте может изменяться в зна-
чительном диапазоне (в песке плюс
70—100% и минус 30—50%) и зависит
от режима нагружения. Повышенную
концентрацию напряжений вызывают
жесткие грунтовые ядра, возникающие
за счет сил трения грунта на поверх-
ности датчика.
12 1 Измерение напряжений в грунтах 231
Рис. 12.3 Эластичный датчик
напряжений в грунте
Рис 12 2. Конструкции
датчиков напряжений в
грунтах
Рис 12.4 Погрешность
эластичного и жесткого
датчиков напряжений грунта
Эластичный датчик напряжений в
грунте обладает минимальной сжимае-
мостью и толщиной, достаточной пло-
щадью, позволяющей осреднять напря-
жения в заданной области. Эластичный
датчик представляет собой резиновый
тонкий диск, пронизанный сообщающи-
мися полостями, заполненными мало-
сжимаемой жидкостью.
Конструкция эластичного датчика
(рис. 12.3) представляет собой прямо-
угольную тонкую трубку, уложенную
двойной спиралью, или два диска,
соединенные по контуру и во множестве
точек по поверхности 1. Объем жидкос-
ти составляет 6—10% объема датчика,
а площадь поперечного сечения по жид-
кости 75—80% от площади датчика.
Внутренняя полость соединена со струн-
ным измерителем давления 2. Напряже-
ния, возникающие в грунте, создают в
рабочей жидкости датчика давление,
которое измеряется струнным преобра-
зователем 4. Колебания струны созда-
ются электромагнитом 3. Теоретические
и экспериментальные исследования по-
казали, что при малой толщине диска
в однородном поле напряжений погреш-
ность измерения нормальных напряже-
ний не превышает ±15%.
На рис. 12.4 представлена кривая 1
погрешности измерения од нормальных
к плоскости датчика напряжений в за-
висимости от отношения значений глав-
ных напряжений ог и ог, действующих
в плоскости датчика. Кривая 2 дает
аналогичную зависимость для жесткого
датчика при сходных режимах нагруже-
ния. Максимальная погрешность для
эластичного датчика составляет 15%.
Для получения достоверных данных
о напряжениях в грунтах необходимо
проводить метрологические испытания
датчиков напряжения на специальных
испытательных установках. В этих уста-
новках воспроизводят гидравлическим
или пневматическим способом заданные
давления на рабочую поверхность дат-
чика.
Чувствительность датчиков напря-
жения к температуре определяют в тер-
мостатах, оснащенных термометрами.
Для изучения взаимодействия дат-
чика и грунта создан ряд устройств,
схемы которых сведены в табл. 12.1.
Все схемы должны обеспечивать созда-
ние на границах пробы грунта однород-
ного напряженного состояния.
В схемах 1 и 2 трение грунта о боко-
вые стенки не обеспечивало требование
создания однородного напряженного
состояния. В схеме 3 это влияние мень-
ше. Более сложные в реализации схемы
4—9 уменьшают эффекты искажения
однородного состояния, однако наличие
недеформируемых ребер и сил трения на
границах пробы грунта сказывается на
точности воспроизведения напряженно-
го состояния.
Для измерения напряжений на кон-
232 Глава 12 Методы изучения напряжений и давлений в грунтах
Таблица 12.1 СХЕМЫ ГРАДУИРОВОЧНЫХ УСТРОЙСТВ
Схема Граничные условия Воспроизведенное на- пряженное состояние Примечание
горизонтальные торцы боковые стенки
D-В С- Жесткие плита и дни- ще стакана Жесткое днище стака- на и гидравлическая подушка То же Жесткие стенки ста- кана То же Набор жестких колец с зазорами Одноосное То же Трение на стенках ста- кана создает касатель- ные напряжения То же Различные условия на торцах пробы грунта
о- Гидравлическая по- душка и жесткая пли- та Жесткие Гидравлическая по- душка Телескопические коль- ца Осесимметричное Одноосное То же »
Г’ рЛИг Гидравлические по- душки Гидравлические по- душки Осесимметричное Обеспечивает одно- родное напряженное состояние
J«LL Ч к То же Жесткие штампы То же Жесткие штампы Пространственное То же Недеформируемые ребра нарушают одно- родное напряженное состояние То же
То же То же » Силы трения на гра- ницах пробы грунта искажают однородное напряженное состоя- ние
такте сооружения с грунтом применяют
струнные жесткие датчики (рис. 12.5) с
деформативностью, близкой к деформа-
тивности бетона. Давление грунта пере-
дается с контактной площадки 12 внеш-
ней мембране 10 через гидравлическую
полость И на рабочую мембрану 8.
Струна 7 крепится к мембране нижним
струнодержателем 9 и к защитному ко-
жуху 4 верхним струнодержателем 3.
Колебания струны возбуждаются элек-
Рис 12 5 Схема датчика
напряжений
Рис 12.6. Схема датчика
для измерения нормальных и
касательных напряжений
Рис. 12 7. Схема прибора для
измерения нормальных и
касательных напряжений в
грунтах
12 1 Изчеоенир напоя'-tt^.i - ^чнтах 233
тромагнитом 5. Кожух 2 имеет заливное
отверстие 1 и резьбу 6 для установки
датчика в сооружение.Выходной сигнал
измеряется частотомером.
Датчики устанавливают в жестко за-
бетонированные в конструкцию заклад-
ные гнезда или обоймы так, чтобы ра-
бочая поверхность датчика совпадала
с поверхностью конструкции. При изу-
чении взаимодействия монолитных фун-
даментов с грунтом обоймы предвари-
тельно бетонируют в небольшие блоки,
которые после установки в них датчиков
располагают в нужных зонах. Чтобы
уменьшить влияние напряжений, возни-
кающих в бетоне при твердении, боко-
вую поверхность датчика защищают
материалом с низким модулем упруго-
сти.
8 Зак 130
В некоторых конструкциях датчиков
применяют тензорезисторные преобра-
зователи, наклеиваемые на упругий эле-
мент. Малогабаритные датчики с тензо-
резисторными преобразователями нахо-
дят применение в модельных исследова-
ниях при статических и динамических
испытаниях.
Для измерения нормальных и каса-
тельных напряжений используется ком-
бинированный датчик, схема которого
приведена на рис. 12.6. При воздействии
давления грунта N по нормали к рабо-
чей диафрагме 3, она деформируется и
тензорезистор TR, наклеенный в центре
внутренней поверхности диафрагмы,
преобразует деформацию в электричес-
кий сигнал, пропорциональный нор-
мальному давлению грунта. Для ком-
пенсации температурных воздействий в
полости прибора на поверхность пла-
стины 5, не подвергающуюся силовым
воздействиям, наклеен компенсацион-
ный тензорезистор TRK. При появлении
сдвиговых усилий Q, действующих в го-
ризонтальном и вертикальном направ-
лении, силы трения на поверхности диа-
фрагмы деформируют упругий элемент
7\ жестко закрепленный в корпусе при-
бора 1. При этом тензорезисторы TR\ и
Т/Г2 воспринимают вертикальное каса-
тельное усилие, а тензорезисторы TR3 и
Г/?4 — горизонтальное усилие. Диск
диафрагмы 4, жестко закрепленный на
234 Глава 12 Методы изучения напряжений и давлений в грунтах
свободном конце 6 упругого элемента,
за счет зазора 2 имеет возможность
перемещаться относительно корпуса 1.
В приборе, схема которого изобра-
жена на рис. 12.7, нормальное W и по-
перечное Q усилия приложены к рабо-
чей поверхности чувствительного эле-
мента. Действие эксцентрично прило-
женной нормальной силы деформирует
упругие элементы, на внутреннюю по-
верхность которых наклеены тензоре-
зисторы TR\ и 77?2- Касательные усилия
вызывают изгиб упругих тонких элемен-
тов, на которых установлены тензоре-
зисторы TR3 и TR4. Такая система по-
зволяет определять эксцентриситет е, а
также значения Р, Qy и Q,.
12.2. Измерение порового
давления в грунтах
Полное напряжение в грунте
складывается из напряжений в скелете
грунта, порового давления в жидкой и
газообразной фазах. Значения этих ве-
личин зависят от относительного содер-
жания твердой, жидкой и газообразной
фаз в единице объема грунта. Измере-
ние порового давления в грунте необхо-
димо для оценки напряженного состоя-
ния. Основным инструментом для изме-
рения порового давления являются пье-
зометрические датчики (пьезометры).
На рис. 12.8, а представлен пьезо-
метр с пористой набивкой 4. Обсадная
труба 3, закрытая деревянной торцевой
крышкой 5, опускается в скважину, а
свободное пространство заполняется
песчаной набивкой 4. Низ трубы перфо-
рирован по длине /. Сверху имеется
бетонная заливка 2 и крышка 1. Пьезо-
метр с водонепроницаемой набивкой
(рис. 12.8 б) имеет аналогичную конст-
рукцию, только ниже и выше перфори-
рованного участка производится набив-
ка водонепроницаемого грунта 6.
Жидкость, проникающая через
фильтр, создает в полости давление,
соответствующее поровому, которое мо-
жет быть измерено гидростатическим,
пневматическим или электрическим пре-
Рис. 12.9,3 лектричес кий
струнный пьезометр
Рис 12 8 Схемы
пьезометров
образователем давления. Пьезометры
должны измерять как положительное,
так и отрицательное давление, вносить
минимальное искажение в структуру и
физико-механические свойства грунта в
исследуемой зоне, обладать достаточно
быстрой реакцией на изменение порово-
го давления, давать стабильные показа-
ния. Основные погрешности измерения
порового давления обусловлены инер-
ционностью измерительной схемы. Час-
то встречающимся источником, приво-
дящим к ошибке измерения порового
давления, является накопление воздуш-
ных пузырьков в зоне фильтра пьезо-
метра или в подводящих трубках. Пре-
дусматривается специальная система
воздухоудаления, зачастую достаточно
сложная. При измерении порового дав-
ления должны быть исключены утечки
12 3 Метод индикаторов для исследования фильтрации в гидротехнических сооружениях
235
жидкости в соединениях измерительной
системы и влияние температуры (осо-
бенно зимой). Кроме того, необходимо
обеспечить чистоту фильтров, соответ-
ствующий подбор их коэффициентов
фильтрации и отсутствие посторонних
включений в рабочей жидкости пьезо-
метров.
В лабораторных и натурных дистан-
ционных измерениях все больше приме-
нение находят электрические пьезо-
метры (рис. 12.9), основанные на воз-
действии давления воды в рабочей по-
лости пьезометра на диафрагму 3, пере-
мещение которой пропорционально дав-
лению преобразуется при помощи тензо-
метрического индуктивного или
струнного преобразователя 4 и 5 в элек-
трический сигнал (/ — корпус, 2 —
фильтр, 6 — изоляция, 7 — провод).
Эти приборы малоинерционны, позво-
ляют проводить динамические измере-
ния.
12.3. Метод индикаторов
для исследования фильтрации
в гидротехнических сооружениях
и грунтах
Для изучения движения филь-
трационных потоков эффективным яв-
ляется метод радиоактивных индикато-
ров — меченых атомов. Этот метод зак-
лючается в определении основных зако-
номерностей движения фильтрационно-
го потока по движению индикатора —
радиоактивного соединения, введенного
в движущийся поток. Радиоактивный
индикатор и его концентрация в фильт-
рационном потоке обнаруживается по
радиоактивному излучению при помощи
радиоизотопных измерительных уст-
ройств. Радиоактивные индикаторы
имеют ряд преимуществ перед такими
индикаторами, как соли или красители,
так как они обладают: способностью
при чрезвычайно малых массовых кон-
центрациях индикатора, быть обнару-
живаемыми в фильтрационном потоке,
благодаря чему раствор индикатора не
меняет своей плотности; легкостью об-
наружения и измерения концентраций
непосредственно в потоке, благодаря
наличию проникающего радиоактивно-
го излучения; большим разнообразием
радиоактивных соединений с различны-
ми физико-химическими свойствами;
большим количеством короткоживу-
щих радиоактивных изотопов, распа-
дающихся через малые промежутки
времени.
Преимущества метода радиоактив-
ных индикаторов проявляются при изу-
чении движения окрашенных, сильно
минерализованных потоков, движущих-
ся с большими скоростями при неод-
нородном строении пласта, т. е. тогда,
когда применение других методов ре-
зультата не дает. Оказывается возмож-
ным установить направление фильтра-
ционного потока, пути фильтрации, ско-
рость фильтрации и среднюю скорость
движения воды в порах грунта, расход
воды и коэффициент фильтрации. Па-
раметры фильтрационного потока могут
быть определены в береговых сопряже-
ниях, в основании и в самом теле гидро-
технических сооружений, при помощи
индикаторов можно оценить режим ра-
боты дренажных систем и систем водо-
понижения, установить наличие сосре-
доточенной фильтрации в железобетон-
ных элементах сооружений, искусствен-
ных противофильтрационных завесах,
экранах и шпунтовых стенках. Для про-
ведения исследований используется ли-
бо куст скважин, либо одна скважина
(рис. 12.10).
В пусковую скважину 1 погружает-
ся индикатор при помощи специального
устройства, взрывающего ампулу с ин-
дикатором и обеспечивающего мгновен-
ное распространение индикатора в ра-
бочей полости скважины. Затем в пуско-
вую или наблюдательные скважины 2
опускают детектор, измеряющий изме-
нение концентрации радиоактивного ве-
щества в различных точках скважины
по высоте, что позволяет установить
скорости фильтрации в разных частях
основания или сооружения и выявить
зону распространения индикатора 2.
Концентрация радиактивного инди-
катора и ее изменение определяется по
8-
236 Глава 12 Методы изучения напряжен ий и давлений в грунтах
изменению интенсивности радиоактив-
ного излучения в скважине (рис. 12.11)
в отобранной пробе воды (количества
импульсов, N, зарегистрированных в
единицу времени). Для определения на-
правления потока ведется наблюдение
за изменением концентрации индикато-
ра в наблюдательных скважинах. Сло-
жные задачи по определению путей
сосредоточенной фильтрации могут ре-
шаться, если производить запуск в не-
скольких пусковых скважинах радио-
активных индикаторов, отличающихся
видом или энергией излучения. В этом
случае концентрация различных инди-
каторов в наблюдательных скважинах
определяется раздельно для каждого
индикатора.
Скорость движения воды в порах
грунта определяется по наблюдатель-
ным скважинам. Значение действитель-
ной скорости движения потока И оп-
ределяется по формуле
H = l/t^ (12.1)
где / — расстояние от точки запуска до места
обнаружения; /р — расчетное время движения
индикатора.
Для определения величины /р стро-
ится кривая изменения концентрации
индикатора в наблюдательной скважи-
не по времени. В качестве точки отсчета
принимают время, соответствующее
максимуму интенсивности уменьшения
концентрации индикатора в пусковой
скважине. Значение скорости фильтра-
ции V определяется по формуле
У=0,785^/Кд, (12.2)
где £ = (1 /t)ln(Nt/No)—коэффициент интенсив-
ности разбавления индикатора; t — время, в те-
чение которого происходит изменение концент-
рации индикатора от начального значения No до
No и Nt — интенсивности счета импульсов,
пропорциональные концентрации индикатора;
d — диаметр пусковой скважины; кд — коэффи-
циент дренирующего влияния скважины. Для
новых мало эксплуатировавшихся фильтров кд
принимают равным 2. Для старых фильтров кд
принимают равным 1.
Коэффициент фильтрации к для спо-
соба пусковых скважин определяется
по формуле
Рис 12.11 Изменение
концентрации
индикатора в наблюдаемой
скважине
12 4 Полевые методы определения плотности и влажности грантов 237
K=V/I, (12.3)
а для способа наблюдательных сква-
жин
K=U-m/I, (12.4)
где / = Д Л/ ЛI — градиент потока, определяемый
по карте пьезоизогипс или по формуле
/ = (/гп —/гн)//, (12.5)
где Лп, /zH — уровни воды в пусковой и наблю-
дательной скважинах; / — расстояние между
скважинами.
В качестве индикаторов применяют
химические соединения радиоактивного
трития, натрия — 24, серы — 35, желе-
за — 59, брома — 82, рубидия — 86 и
иода— 131. Следует по возможности
выбирать соединения и изотопы слабо
сорбирующиеся на грунтах данного
состава, с тем чтобы уменьшить потери
индикатора.
Заслуживает особого внимания ме-
тодика использования природных ра-
диоактивных индикаторов для изучения
различных форм движения влаги в при-
роде. Природными индикаторами явля-
ются стабильные изотопы (дейтерий и
кислород-18), а также радиактивные
изотопы, непрерывно образующиеся в
верхних слоях атмосферы в результа-
те ядерных реакций ядерных частиц
космического происхождения с атомами
элементов, составляющих атмосферу.
Вместе с атмосферной влагой в почве
и грунте природные индикаторы обра-
зуют радиоактивные метки. Если систе-
матически определять содержание
радиоактивных изотопов космического
происхождения в выпадающих осадках,
а также фиксировать количество вы-
павших осадков, то дальнейшее движе-
ние выпавшей влаги можно наблюдать
во времени и пространстве. Космоген-
ные индикаторы (тритий, бериллий —
7, бериллий— 10, углерод— 14, нат-
рий — 22, кремний — 32, фосфор —
32, сера — 35, хлор — 36) обладают
различными периодами полураспада.
Особенный интерес представляет три-
тий, который по своим свойствам
практически не отличается от водоро-
да. При миграции влаги тритий в
результате изотопного обмена трития
и водорода распределяется между раз-
личными формами влаги в материале:
кристаллической, капиллярной и жид-
кой. Использование тритиевой метки
позволило доказать изотопообменную
подвижность связанной воды в порис-
тых материалах и грунтах. Исполь-
зование способа вытеснения водорода
обычной воды тритием позволило изу-
чить формы связи влаги со скелетом
грунта. Изотопное равновесие, то есть
равное количество уходящих и прихо-
дящих атомов трития, наступает внача-
ле в свободной влаге, затем — в меха-
нически связанной и далее в зоне
физико-химических связей и наконец
в скелете грунта. Наблюдения за тем-
пом уменьшения концентрации исход-
ного раствора трития, в который поме-
щена проба грунта, позволяют коли-
чественно оценить соотношение форм
связи влаги со скелетом. Пробы грун-
та погружаются в тритиевую воду и
строятся зависимости изменения кон-
центрации трития во времени в полу-
логарифмическом масштабе. Характер-
ные участки полученной ломаной
прямолинейной зависимости (рис.
12.12) позволяют судить о характере
связи со скелетом материала. Так,
интервал 1 характеризует изотопный
обмен с жидкой фазой, 2 — капилляр-
ной фазой, 3 — поверхностной и 4 —
кристаллической фазами.
12.4. Полевые методы
определения плотности
и влажности грунтов
При намыве плотин, постройке
дорог и гидротехнических сооружений
возникает необходимость измерений
плотности и влажности грунтов. Их пре-
имущества перед традиционными мето-
дами заключаются в том, что измере-
ния производятся непосредственно в по-
левых условиях без отбора контрольных
образцов; измерения могут воспроизво-
диться многократно и позволяют про-
238 Глава 12 Методы изучения напряжений и давлений в грунтах
Рис 12 13 Схема
преобразователя
универсального нейтронного
влагомера с
конт роль но-транспортным
устройством
Рис 12 14 Схема зонда для.
глубинных измерений
следить кинетику изменения плотности
и влажности грунтов. Глубина скважин
может достигать 30 метров, что поз-
воляет послойно определять свойства
грунта. Время одного измерения до-
стигает 2—3 мин, при этом быстро
можно получить представительную ин-
формацию о плотности и влажности на
больших площадях и объемах.
Определение влажности произво-
дится нейтронным методом, который
основан на замедлении быстрых нейт-
ронов ядрами водорода. Влажность
грунта определяется плотностью мед-
ленных нейтронов в рассматриваемом
объеме, зарегистрированных детекто-
ром нейтронов. Определение плотности
грунта основывается на эффекте рас-
сеяния гамма-квантов атомами эле-
ментов изучаемой среды.
• Во ВНИИГиМ разработан универ-
сальный влагомер, предназначенный
для поверхностных и глубинных (в
скважинах) измерений влажности почв
и грунтов. В скважинах могут быть
установлены обсадные трубы.
Прибор, разрез которого а, вид сбо-
ку б и рабочее положение в представ-
лены на рис. 12.13, состоит из зонда
5 с плутоний-бериллиевым источником
4 быстрых нейтронов и борным счет-
Рис 12 15 Универсальный
гамма-плотномер для грунтов
чиком 6 медленных нейтронов, кон-
трольно-транспортного устройства,
электронного блока и пересчетного
устройства. Контрольно-транспортное
устройство разделено на две разъемные
части 1 и 7. Одна часть имеет основ-
ной и дополнительный каналы и исполь-
зуется при поверхностных измерениях
12.5 Метооы l-.-Juxuh 239
Рис 12 17 Диаграмма
пенетрационно-каротажных
исследований
влажности. Другая часть покрыта
слоем буры 2, а обе емкости заполнены
парафином 3. Зонд (рис. 12.14) состоит
из стакана 3 с источником 2 и гильзы
1 со счетчиком, которая при глубинных
измерениях вводится в основной канал
контрольно-транспортного устройства и
сочленяется со стаканом источника.
Нейтронные влагомеры показывают
значения влажности W, усредненные по
некоторому объему. 90% информации о
значении влажности поступает с объе-
ма, который при объемной влажности
50% описан радиусом 10—12 см, а при
объемной влажности 10% — радиусом
25—27 см. На точность измерения
влажности влияние оказывает концен-
трация таких элементов как бор, хлор,
замедляющих быстрые нейтроны, что
следует учитывать при измерении влаж-
ности засоленных грунтов и проводить
градуировку приборов на этих же грун-
тах.
Для измерения плотности грунтов
применяются гамма-плотномеры, осно-
ванные на принципе рассеянного излу-
чения (рис. 12.15). Рабочий объем грун-
та, с которого собирается 90% инфор-
мации, описывается радиусом 8—10 см
при плотности 1200 кг/м3 и радиусом
3—5 см при плотности 1800 кг/м3.
На схеме рис. 12.15,а прибор работает
на приципе рассеянного излучения, а
на схеме рис. 12.15,6 показан источник,
который внедряется в грунт и работает
на приципе поглощения широкого пучка
гамма-излучения. В качестве источника
излучения используется радиоактивный
цезий-137. Преобразователь плот-
номера 2 включает источник излучения
7 в контейнере 5, свинцовый экран 3,
детектор излучения /, соединенный с
регистрирующим блоком 6. При измере-
нии поверхностной плотности а исполь-
зуется короткий шток 4, а между по-
верхностью грунта и преобразователем
укладывается пластина 8. При опреде-
лении плотности на глубине шток 4 уд-
линяется и его наконечник снабжается
перфоратором 9.
12.5. Методы каротажа
скважин
При инженерно-геологических и
гидрогеологических исследованиях для
обоснования проектов мелиоративных
и гидротехнических сооружений необхо-
димо иметь данные о физических свой-
ствах грунтов на глубинах до 25
м. Для решения этой задачи являются
24U Глава 12 Методы изучения напряжений и давлений в грунтах
эффективными методы радиоактивного
каротажа скважин. Для определения
плотности грунта и его влажности осу-
ществляется непосредственное вдавли-
вание измерительного зонда в грунт
без предварительной проходки скважи-
ны. В этом случае снимаются помехи,
связанные с обсадкой скважины, обра-
зованием затрубных каверн, зазорами
между зондом и стенкой скважины,
наличием глинистого раствора. Разра-
ботан комплекс «Пенекар», который
включает методы гамма-каротажа
гамма-гамма-каротажа и нейтрон-ней-
тронного каротажа. Последний преду-
сматривает измерения по тепловым
нейтронам. Кроме того, в комплексе
предусмотрено электротензометричес-
кое устройство, позволяющее получить
данные о физико-механических свойст-
вах грунтов путем измерения лобового
сопротивления грунта погружению кор-
пуса Р и трения грунта Т по боко-
вой поверхности датчика. На рис. 12.16
приведена схема пенетрационно-каро-
тажной станции для определения физи-
ко-механических свойств грунтов. Стан-
ция состоит из установки 3 для погруже-
ния штанги 2 и комплекса 1 наземной
регистрирующей аппаратуры 5, распо-
ложенной в автобусе 4. Гидродомкрат
развивает усилие до 120 кН, что
позволяет исследовать рыхлые отложе-
ния на глубину до 25—30 м при ско-
рости погружения до 6 м/мин.
Радиометрические и тензометричес-
кие датчики размещены в двух комбини-
рованных зондах. В первом зонде распо-
ложены датчики гамма-гамма-карота-
жа (рассеянного гамма-излучения),
лобового сопротивления и трения, во
втором — датчики нейтронного карот-
тажа и гамма-каротажа. За одно по-
гружение можно одновременно полу-
чить количественную информацию от
трех датчиков. В качестве источников
излучения использованы цезий-137
для гамма-зонда и плутоний — берил-
лий для нейтронного зонда.
На рис. 12.17 приведен пример дан-
ных (N — интенсивность импульсов,
р — плотность, W — влажность, Р —
лобовое сопротивление, Т—трение),
полученных комплексом «Пенекар».
Разрез рыхлых отложений представлен
флювиогляциальными песками и морен-
ными суглинками. Мощность отложе-
ний 8 м. Как следует из представленных
графиков метод каротажа позволяет
получать непрерывную информацию о
свойствах грунта.
Г л а в a 13
ОСОБЕННОСТИ ОБСЛЕДОВАНИЯ
И ИСПЫТАНИЯ СООРУЖЕНИЙ
АТОМНЫХ И ТЕПЛОВЫХ
ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
13.1. Физические основы
тепловидения
Наряду с общепринятыми мето-
дами и средствами обследования и ис-
пытания сооружений, которые изложе-
ны в предыдущих разделах учебника,
ряд методов и средств являются спе-
цифическими для тепловых и в особен-
ности для атомных электростанций.
К ним относятся методы контроля
биологической защиты атомных элек-
тростанций, тепловая дефектоскопия
изоляции паропроводов, контроль уте-
чек в резервуарах и трубопроводах,
изучение малоцикловой усталости ме-
таллических конструкций трубопрово-
дов и резервуаров, динамические испы-
тания фундаментов оборудования, об-
следование высотных дымовых труб и
градирен. Специфическое применение
в сооружениях тепловых и атомных
электростанций находят неразрушаю-
щие методы испытаний, позволяющие
получить дополнительную информацию
о надежности и долговечности кон-
струкций и сооружений.
Достижения в области инфракрас-
ной (ИК) техники поставили задачу
об использовании потока тепла, прохо-
дящего через изделия, в качестве
носителя информации о его сплошности
и однородности. Методы теплового кон-
троля могут быть применены для кон-
троля сварных швов трубопроводов
высокого давления, узлов металлокон-
струкций и элементов резервуаров.
Возмущения потока тепла, вызван-
ные инородными по теплофизическим
характеристикам включениями, созда-
ют возмущения поля температур на по-
верхности изделия.
Современные приборы — теплови-
зоры — позволяют получать на экране
или на пленке изображение поля темпе-
ратур в черно-белой и цветной окрас-
ке. При этом по степени почернения
и по изменению цвета могут быть
даны достаточно точные количествен-
ные оценки температур. Приборы
обладают высоким температурным раз-
решением (до 0,05°С).
Эффективность использования теп-
лового метода обусловливается нали-
чием существенных различий теплофи-
зических свойств материала дефекта
и изделия. Следует отметить, что
тепловой поток обладает определенной
инерционностью, в связи с чем теп-
ловое изображение на поверхности
изделия со временем теряет контраст-
ность и затем исчезает.
Применение ИК-систем в области
строительства связано с исследованием
температурных полей на поверхности
изделий и сооружений, вызванных не-
однородностью процессов охлаждения
или нагрева элементов конструкций.
Основными элементами любой инфрак-
расной системы являются: источник
полезного излучения, несущего интере-
сующую исследователя информацию о
состоянии конструкции или сооруже-
ния; тепловой фон, ограничивающий
возможность точного получения инфор-
мации; атмосфера, ослабляющая ин-
фракрасный сигнал; оптическая систе-
ма, собирающая излучение на приемни-
ке; приемник излучения, служащий для
преобразования инфракрасного излуче-
ния в соответствующий электрический
сигнал; схема электронного преобразо-
вания, усиливающая сигнал и обеспе-
чивающая его индикацию и регистра-
цию. Схема такой инфракрасной систе-
мы представлена на рис. 13.1.
Изделие 1 содержит дефект 2,
характеризуемый пониженной теплопе-
редачей. Тело излучает поток тепла
242 Г лава 13. Особенности обследования и испытания сооружений атомных и тепловых электростанций
3, который попадает на сканирующее
зеркало 5, приводимое в движение
двигателем 4. Система зеркал 9 и 7
концентрирует поток тепла на приемни-
ке излучения 10. Модулятор 8 прерыва-
ет периодически тепловой поток, для
того, чтобы получить переменный во
времени сигнал, который можно уси-
лить и обработать с большей точностью.
Далее сигнал попадает на детектор 11,
передается на усилитель 12 и затем на
регистрирующий прибор 13. Получен-
ный в результате сигнал сопоставляется
с данными, получаемыми от имитато-
ра абсолютно черного тела 6, что позво-
ляет применить аппаратуру с менее вы-
сокой стабильностью. После этого фик-
сируется температурный контраст 14,
обусловленный дефектом.
Любой предмет при температуре
выше абсолютного нуля излучает элек-
тромагнитную энергию, обусловленную
тепловыми колебаниями электрически
заряженных частиц, из которых состоит
тело. Гипотетическая поверхность, по-
глощающая излучение во всем диапа-
зоне частот (абсолютно черное тело),
имеет при температуре поверхности,
равной Т К, излучательную способ-
ность, определяемую как мощность
излучения с единицы площади поверх-
ности тела в полусферу. По закону
Стефана-Больцмана эта излучательная
способность W равна, Вт/м .
W=gT\ (13.1)
где о = 5,673-106, Вт/м2К4—постоянная Больц-
мана.
При ЗООК (комнатная температура)
абсолютно черное тело излучает 460
Вт/м2.
13.2. Основы методики
теплового контроля
Тепловая дефектоскопия желе-
зобетонных конструкций обусловлена,
главным образом, различием коэффици-
ентов теплопроводности. Чувствитель-
ность (или способность к обнаружению
минимального дефекта), в основном,
зависит от отношения коэффициентов
теплопроводности изделия Хи и дефекта
Хд. Возможны четыре схемы дефек-
тоскопии:
1) изделие нагревается во всем
объеме до 100°С (в частности в процес-
се термовлажностной обработки) и за-
тем остывает при температуре наружно-
го воздуха;
2) над поверхностью изделия дви-
жется с заданной постоянной скоро
стью нагреватель в виде нити с рефлек-
тором, а на известном расстоянии, опре-
деляемом временем экспозиции темпе-
ратурного поля, движется детектор ИК-
излучения, измеряющий температуру
поверхности;
3) в схеме, аналогичной пункту
2, детектор и нагреватель движутся
по разные стороны изделия;
4) постоянно действующий источник
тепла и стационарно установленные
тепловизор.
С помощью тепловой дефектоскопии
может быть обнаружен не всяки-
дефект, а лишь такой, у которогс
размеры, глубина залегания и тепле
физические характеристики создадут
на поверхности тела возмущение поля
температур, соизмеримое с чувствитель-
ностью прибора. Исследуемое тел
13 2 Основы че~оОи<л -^ооля 243
Рис 13 2 Возмущение
Рис 13 1 П ринципиальная температурного поля во
схеча тепловизора времени, вызванное дефектом
должно нагреваться и затем охлаж-
даться и измерения должны произво-
диться в момент проявления наиболь-
шего температурного контраста,
обусловленного оптимальным временем
экспозиции.
На рис. 13.2 представлены графики
изменения температурного контраста во
времени для пластин из бетона и стали,
которые нагревались до 120 °C, а затем
охлаждались в естественном состоянии.
Кривая 1 — бетон, коэффициент тепло-
отдачи которого а = 720 Вт-м~2К“1, а
отношение характеристик Сд/Си =
= 0,19/0,2; Хд/Хп = 0,72/1,1; уд/ун =
= 2,1/2,2; кривая 2—сталь, при а =
= 360 Вт*м-2К-1; Сд/5и = 0,1 /0,105;
Хд/Хи =0,6/0,64; уд/уи = 7,8/7,88. (С—
теплоемкость, у — плотность, индексы
д и и относятся соответственно к де-
фекту и изделию).
Время максимальной экспозиции
теплового контраста меняется в широ-
ких пределах в зависимости от свойств
материала. Температурный контраст
на поверхности пластины, обусловлен-
ный изменением плотности материала
в пределах 5% или изменением тепло-
физических свойств в пределах 10% от
среднего, составляет для большинства
строительных материлов от 3 °C до
7 °C, что позволяет различать не менее
10 градаций на изображении поля
температур при температурной чувстви-
тельности 0,1 °C и цене градации 0,3 гС.
Метод перемещающегося теплового
источника может служить примером ме-
тода активного теплового неразрушаю-
щего контроля. В качестве критерия
выявляемое™ дефекта принимается ве-
личина
Л=М(аГ/Г), Н3 2)
где Д 7 — возмущение поля температур, а Т —
средний уровень температуры вне зоны действия
дефекта. Величина Л Т определяется возможно-
стями аппаратуры и по мере совершенство-
вания приборов ИК-контроля должна умень-
шаться. Для реальных приборов величина
А Т составляет 0,3—0,5 °C.
Метод основан на возможности
определения параметров режима тепло-
вого возбуждения: интенсивности те-
плового потока во времени — g(f); ско-
рости перемещения источника V или
времени нагрева /н; температуры на-
грева Гн, а также предельных зна-
чений геометрии измерения (глубина
залегания дефекта — /г, величина рас-
крытия дефекта в направлении теплово-
го потока — 6, простирание дефекта по-
перек теплового потока — /, толщина
изделия — /7) и теплофизических ха-
рактеристик дефекта ад, Хд и изделий ап,
Хи (X — теплопроводность; а — коэф-
фициент теплоотдачи на границе сред).
Теоретические решения проблемы
основываются на рассмотрении задач
теплопроводности, что позволяет рас-
считать температурное поле, когда тем-
пературные контрасты становятся наи-
большими. Исследуя законы проника-
ния теплового потока в сложных сре-
дах с дефектами, представляется воз-
можным оценить границы влияния рас-
положения дефекта на выявляемое™.
Наиболее общая модель — пластина,
состоящая из трех слоев Si, S2, S3 с
дефектами D\, D? (рис. 13.3), по поверх-
ности которой со скоростью V переме-
щается источник тепла с заданным
тепловым потоком q(t). В основе
анализа лежит решение уравнения не-
244 ;ава 13 Особенности обследования и испытания сооружений атомных и тепловых электростанций
стационарного теплообмена Фурье.
В основу методики теплового кон-
троля положены теоретические и экспе-
риментальные исследования слоистых
пластмасс с дефектами. Результаты
этих исследований могут служить ос-
новой для построения физической
модели при дефектоскопии бетона.
Переход от результатов, полученных
для пластмасс, к параметрам, харак-
терным для бетона, осуществляется с
помощью критериев подобия Био Bi =
= aS/k и Фурье Fo = czt/S2, где а —
коэффициент теплоотдачи на границе
сред; а—коэффициент теплопровод-
ности; а — коэффициент температуро-
проводности; т — время; S — полутол-
щина пластин.
Представляет интерес установление
тех геометрических и физических пара-
метров, которые в наибольшей степени
влияют на время экспозиции тэ и на
выявляемость А. На рис. 13.4 кривая
1 дает изменение А в зависимости
от Хд при суИ — су^ кривая 2 — изме-
нение А от при (суи>* (су)д; кривая
3—изменение А от с2 при (ZyK =
— (Ху)д; кривая 4 — изменение А от
Ад при (ас)и = (^с)д; кривые 5, 6, 7
определяют тэ в зависимости от Хд,
Сд и уд соответственно. Анализ кри-
вых 1 и 2 наглядно показывает,
что основным фактором, определяющим
изменение А и тэ, является отношение
коэффициентов теплопроводности изде-
лия и дефекта ХдДи. С уменьшением
этого отношения выявляемость А и
время экспозиции тэ возрастают. Влия-
ние теплоемкости дефекта (кривые
3 и 6) несколько меньше, выявля-
емость А увеличивается при увеличе-
нии теплоемкости. Плотность дефекта
практически не влияет на А и тэ.
На рис. 13.5 представлены зави-
симости времени экспозиции от геомет-
рии дефекта и параметров нагрева
полимерного пластика. Протяженность
образца вдоль оси х, Е = 0,1 м, ско-
рость перемещения источника нагрева
V=10~4 м/с. Нетрудно установить,
Рис 13 4 Зависимости теплофизических
критерия выявляемости и характеристик изделия и
времени экспозиции от дефекта
13 2 Основы методики теплового контроля 245
что тэ не зависит от интенсивности
потока тепла q, размера дефекта по-
перек потока, теплоемкости дефекта и
толщины изделия под дефектом (кривые
1—4). На тэ большое влияние оказывает
глубина залегания дефекта (кривые 6
и 7), причем с увеличением залегания
8Э возрастает. Меньшее влияние оказы-
вает время нагрева тн и теплопровод-
ность дефекта (кривые 5 и 5), причем
увеличение этих параметров приводит
к снижению тэ.
На рис. 13.6 представлена зависи-
мость минимально обнаруживаемого
дефекта толщиной d в зависимости от
раскрытия 6 и глубины залегания
h. Кривые построены для двух значе-
ний отношений Zj/Xn = 0,l и 0,33. На
рисунке совмещены результаты измере-
ний, связанные со значениями, заклю-
ченными в скобки и без них.
Практически метод термодефекто-
скопии использован для контроля теп-
лоизоляции трубопроводов и оборудо-
вания ТЭС и АЭС, дефектов в желе-
зобетонных конструкциях, утечек в теп-
лофикационных сетях и оборудовании,
сварки, скрытых и подземных коммуни-
каций, дымовых труб, положения пустот
в биологической защите, ограждающих
конструкций зданий. Метод термоде-
фектоскопии бетона в стыке плит
перекрытий производится по следующей
схеме: источник тепла в виде инфра-
красного излучателя (нить накалива-
ния) с рефлектором перемещается
вдоль оси стыка со скоростью 1
см‘С-1, обеспечивающей прогрев кон-
тролируемой зоны до 80—100 °C. Вслед
за источником на расстоянии, соответ-
ствующем оптимальному времени эк-
спозиции теплового контраста на
поверхности изделия, перемещается те-
пловизор. Возможны две схемы термо-
дефектоскопии (рис. 13.7). В двусто-
ронней (рис. 13.7, а) схеме источник
3 перемещается с заданной скоростью
V по одной стороне изделия /, а при-
емник 4 тепловизора — по другой,
смещенный на расстояние х, соответ-
ствующему эффективному времени тэ,
Рис 13 5 Зависимость
времени экспозиции от
геометрии дефекта и
параметров нагрева
Рис 13 7 Схемы теплового
контроля дефектов
246 Глава 13 Особенности обследования и испытания сооружений атомных и тепловых электростанций
причем x=Vr3. При наличии дефекта
2 происходит резкое изменение темпе-
ратурного поля 5. Аналогичной явля-
ется схема одностороннего контроля
(рис. 13.7, б), только в этом случае
источник тепла 3 и приемник 4
тепловизора перемещаются по одной
и той же поверхности объекта.
Тепловизоры дают возможность на-
блюдать непосредственно на экране
тепловую картину поверхности нагрето-
го тела. Современные тепловизоры
имеют следующие технические характе-
ристики: тепловое разрешение при ком-
натной температуре равно 0,2 °C,
0,1 СС — при 100 °C; угол мгновенного
обзора— 1,3 рад.; разрешающая спо-
собность— 140 линий на 1 мм.
13.3. Контроль за укладкой
бетона
биологической защиты
электростанций (АЭС)
Основное назначение сооруже-
ний биологической защиты атомных
электростанций — защита от проника-
ющей радиации, обусловленной пото-
ками гамма-лучей и нейтронов, воз-
никающими в рабочей зоне реакторов
АЭС. Эффективность защиты от гам-
ма-лучей определяется плотностью ма-
териала в конструкциях биологической
защиты, а защита от нейтронов —
содержанием в единице объема ядер
атомов водорода, бора и других хими-
ческих элементов, эффективно взаимо-
действующих с нейтронами. Контроль
биологической защиты предполагает
сквозное просвечивание ее гамма-
лучами, создаваемыми портативными
переносными бетатронами, технологи-
ческий контроль плотности и влажности
свежеуложенной бетонной смеси при по-
мощи переносных инструментальных
плотномеров и влагомеров, а также
контроль технологических и монтаж-
ных швов и стыков. Толщина бетон-
ной защиты, доступная для контроля
излучением бетатронов, составляет 1 —
1,5 м, поэтому в конструкциях био-
логической защиты предусматриваются
скважины, в которых устанавливают
измерительные преобразователи (рис.
13.8, а) в виде скважинного зонда или
синхронно перемещающейся пары ис-
точник-детектор (рис. 13.8, б).
В первом случае в скважину /,
пробуренную в теле бетона 4, опуска-
ется зонд с источником 2 и детек-
тором 3. Во втором случае пробури-
ваются две скважины, в одну из ко-
торых опускается источник 2, а в дру-
гую — детектор 3.
В качестве одного из наиболее
подходящих материалов для защиты
широко применяется бетон. Он доста-
точно плотен для того, чтобы эффектив-
но ослаблять гамма-излучения, содер-
жит в химически связанном состоянии
количество воды, достаточное для за-
медления нейтронов, в него легко
вводятся добавки, необходимые для
эффективного захвата замедленных
нейтронов. Бетон обладает отличными
конструктивными свойствами — доста^
точно прочен, легко формуется и дешев.
Однако неравномерное уплотнение и
расслаивание бетонной смеси даже при
средней плотности бетона вызывают
появление ослабленных мест в за-
щите, через которые возможна утечка
излучений в количестве, опасном для
персонала.
Очевидно, что повышенные требова-
ния к плотности, водородосодержанию
и однородности бетонной смеси, а также
значительные трудности, возникающие
при укладке бетона с тяжелыми запол-
нителями, вызывают необходимость
применения такого метода контроля
плотности, водородосодержания и одно-
родности укладываемого бетона, кото-
рый позволял бы непрерывно по ходу
производства работ оперативно обнару-
живать дефекты уложенного бетона для
их немедленного исправления и коррек-
тировки правильности технологии при-
готовления, укладки и уплотнения бе-
тонной смеси.
Требованиям оперативного контроля
качества бетона биологической защиты
отвечает метод локального просвечи-
вания участков свежеуложенного бето-
13 3 Контроль за укладкой бетона биологической защиты электростанций (АЭС)
247
Рис 13 8 Схема контроля
биологической защиты
Рис 13 9 Схема
преобразователей для
определения влажности и
плотности свежеуложенной
бетонной смеси
на при помощи гамма-излучателя и ис-
точника нейтронов небольшой мощнос-
ти. Этот прием позволяет производить
контроль непосредственно в блоке бе-
тонирования.
Датчик (рис. 13.9) может быть при-
менен либо в виде так называемой
вилки (рис. 13.9, а), трезубца (рис.
13.9, б) или преобразователя (рис.
13.9, в) с перемещающимся источником
/ при фиксированном положении детек-
тора 2, когда источник и детектор
погружаются на определенном расстоя-
нии друг от друга в свежеуложенную
бетонную смесь, либо в виде зонда,
у которого источник 1 погружается в
бетон, а детектор 2 регистрирует излу-
чение у поверхности бетона (Т- образ-
ный зонд, рис. 13.9, г; Г-образный
зонд, рис. 13.9, д).
Тип контрольного прибора опреде-
ляется из условий производства бетон-
ных работ. При укладке бетона обыч-
ной плотности (2200—2400 кг/м3) при-
меняется, как правило, способ укладки
слоями около 30 см с последующим
уплотнением бетонной смеси глубинны-
ми вибраторами. Для укладки бётона
с повышенной плотностью и тяжелых
бетонов применяется как обычный
способ укладки с уменьшенной высо-
той слоев до 20—25 см, так и способы
раздельной укладки.
Измерение плотности и водородо-
содержания участков слоя свежеуло-
женного бетона позволяет осуществ-
лять оперативный контроль качества
производства бетонных работ. Опера-
тор, вооруженный контрольными при-
борами — радиоактивными плотноме-
ром и влагомером — обнаруживает де-
фекты кладки, вызванные различными
недостатками приготовления, укладки
и уплотнения бетонной смеси. Опера-
тивность обнаружения дефектов позво-
ляет немедленно, пока не прошли сроки
схватывания бетона, исправлять их, из-
бегая дорогостоящих последующих
переделок, а при систематических
нарушениях плотности и водородосо-
держании укладываемого бетона, выз-
ванных неправильным режимом работы
технологического оборудования, дает
возможность немедленно вносить в нее
коррективы.
На рис. 13.10 представлены кривые
распределения плотности бетона; полу-
ченные посредством измерения плотно-
248 i 'ава 13 Особенности обследования и испытания сооружений атомных и тепловых электростанций
мером на опытных укладках, произве-
денных для сравнения качества трех
подобранных составов бетона. Кривая
1 соответствует бетону на мелком
щебне с у =1,56 г/м3, кривая 2 —
на 50% мелкого и 50% крупного,щебня
с 7=1.56 т/м3, а кривая 3— на щеб-
не с 7=1,71 т/м3. Из анализа кри-
вых 1 и 2 следует, что хотя бетон
на крупном щебне и имеет большую
среднюю плотность, но за счет неод-
нородности процент бетона с плот-
ностью ниже 2,2 т/м3 примерно оди-
наков. Применение щебня с большой
плотностью (кривая 3) дает значитель-
ное повышение плотности бетона. Пу-
тем сравнения подобных кривых, полу-
ченных при опытных укладках, можно
объективно оценить пригодность подо-
бранных составов бетона для биоло-
гической защиты.
При выборе рациональных режимов
вибрирования бетонных смесей предпо-
лагается определение следующих пара-
метров: амплитуды, частоты, длитель-
ности вибрационного воздействия, а
также радиуса эффективного уплотне-
ния. Мерой эффективности вибрацион-
ной обработки смеси является дости-
жение заданных структурно-механичес-
ких свойств готового бетона при задан-
ной производительности вибромеханиз-
мов. Конечным итогом виброобработки
смеси является уменьшение объема воз-
душных пор за счет выделения возду-
ха, т. е. уплотнение смеси, увели-
чение ее плотности.
Перед вибрированием на определен-
ных расстояниях от оси вибратора в
заданных точках изделия устанавли-
ваются радиоизотопные датчики. Тип
датчика определяется в зависимости
от конструкции и размеров изделия
или блока. При применении глубинных
вибраторов для уплотнения бетона в
массивных изделиях и сооружениях
используют для контроля датчики в
виде Т-образного зонда или вилки.
В результате получают зависимости
изменения плотности смеси от времени
уплотнения (рис. 13.11). Совмещая на
одном поле кривые для различных
Рис 13 11 Кривые
уплотнения бетонной смеси
Рис 13 10 Кривые
распределения плотности
бетонной смеси для трех
составов бетона
опытов, можно выбрать оптимальные
расстояния и время вибрирования,
при которых неоднородность будет на-
именьшей.
Совмещенные кривые (см. рис.
13.11) пересекают вертикалями, сот-
ветствующими наиболее характерным
значениям времени вибрирования 7\
Тъ, Тз и определяют для них зна-
чения среднего 7 и среднеквадратичного
cfv, которые характеризуют общий ход
кривых интенсивности уплотнения. Сле-
дует заметить, что вследствие расслое-
ния смеси может оказаться, что дли-
тельное уплотнение ухудшает однород-
ность смеси.
Наиболее удобный и простой метод
контроля качества бетона биологичес-
13 4 Методика статистического контроля бетона биологической защиты по величине плотности или водородосодержания 249
Выборка.
Рис 13 12 Контрольная
карта статистических
параметров
Рис 13 13 Дефектоскоп для
контроля биологической
защиты
кой защиты — локальное измерение
плотности у или водородосодержания
W при помощи радиоизотопного плот-’
номера или влагомера, причем оценка
этих параметров производится по
формулам
Ку == Ymzn/Тнорм ИЛИ Kw == Wminl И^норм, (13.3)
где ymin. Wmin — наименьшее в серии измере-
ние плотности или водородосодержания; унорм,
№ноРм — нормативное для данного сооружения
значение плотности или водородосодержания.
13.4. Методика статистического
контроля бетона
биологической защиты
по величине плотности или
водородосодержания
Структурно-механические свой-
ства бетона, укладываемого в изделие
или сооружение в процессе произ-
водства, претерпевают непрерывные
случайные изменения, обусловленные
неполадками в работе оборудования;
250 Г шва 13 Особенности обследования и испытания сооружений атомных и тепловых электростанций
естественными изменениями режимов
работы механизмов, неоднородностью
качества составляющих, ошибками пер-
сонала при работе с механизмами.
Эти причины вызывают либо одно-
стороннее и систематическое отклоне-
ние структурно-механических свойств
от номинала, либо случайные откло-
нения в разные стороны и в разные
моменты времени. Изменение структур-
но-механических свойств количественно
характеризуется вариациями статисти-
ческих параметров случайной ограни-
ченной по объему выборки из п изме-
рений плотности (или водородосодер-
жания) у„ или IF/, взятой из общей
массы (генеральной совокупности) зна-
чений, Это среднее в выборке у, W,
среднеквадратическое о, размах R, ме-
диана М и т. д. Стабильный техно-
логический процесс характеризуется от-
носительным постоянством этих пара-
метров.
Чтобы организовать стабильный
технологический процесс, нужно обна-
ружить и устранить причины система-
тических отклонений и уменьшить влия-
ние случайных отклонений от пре-
делов, обеспечивающих заданные
структурно-механические свойства.
Признаком нарушения стабильного тех-
нологического процесса служит сущест-
венное смещение во времени средних
у , IF или увеличение среднеквадрати-
ческих о в выборках. Статистические
методы позволяют количественно оце-
нивать отклонение статистических па-
раметров от нормы. Информация для
статистического контроля в виде выбо-
рок из п измерений плотности и водоро-
досодержания свежеуложенного и уп-
лотненного бетона получается в процес-
се оперативного контроля. На основе
периодически отбираемых выборок из п
измерений плотности у строится кон-
трольная карта (рис. 13.12), изобра-
жающая изменение во времени стати-
стических параметров случайной выбор-
ки (среднего значения у и стандарта о).
Контрольная карта фиксирует измене-
ние параметров, которые обусловлива-
ют характер протекания процесса. На
рис. 13.12 точка 1 соответствует статис-
тическим параметрам в выборке, 2 —
контрольные пределы.
13.5. Радиоизотопный
гамма-лучевой дефектоскоп
для контроля защитных стенок
биологической защиты
Дефектоскоп защитных стенок,
использующий принцип прямого про-
свечивания гамма-лучами, позволяет
оперативно вмешиваться в производ-
ственный процесс, обеспечивая надеж-
ный контроль и своевременное устра-
нение выявленных недостатков. Дефек-
тоскоп предназначен для контроля
плотности и однородности, как свеже-
уложенного, так и затвердевшего бе-
тона с плотностью до 6500 кг/м3.
Контроль изделий производится при по-
•мощи переносной металлической ра-
мы, оборудованной блоками. Схема
контроля представлена на рис. 13.13.
В качестве источника гамма-излуче-
ния в приборе используется кобальт-
60 активностью 1,5 ГБк. Такая вели-
чина активности обеспечивает нормаль-
ную работу дефектоскопа при толщине
защиты 1 от 20 до 30 см. Источник
помещен в свинцовый контейнер, обес-
печивающий безопасность работы пер-
сонала. Имеются источник питания
6 и блок управления 7, механическое
приспособление 4 позволяет переме-
щать источник 9 в контейнере 8
и кассету 2 с усилительной приставкой
вдоль контролируемой стенки с соблю-
дением соосности и постоянства базы
между источником и кассетой. Помимо
горизонтальных перемещений можно
производить и вертикальные, т. е.
просвечивать стенки высотой до 10 м.
Усилительная приставка 3 и блок управ-
ления 5 соединены с кассетой, и все
вместе помещены в предохранительный
кожух.
Тарировка прибора производится на
стальной форме, заполненной скрапом.
Толщина образца в направлении про-
свечивания должна быть равна тол-
щине контролируемой стенки. Длина
образца — 50 см, высота — 30 см.
13 5 Радиоизотопный гамма-лучевой дефектоскоп для контроля защиты стенок биологической защиты
Стенки образца (лицевая и задняя)
соответствуют облицовке просвечивае-
мой стены. В нижней части у днища
формы предусматривается отверстие со
штуцером. В форму укладывается скрап
по технологии, предусмотренной техни-
ческими условиями на производство ра-
бот. Форма заполняется водой, воспро-
изводящей влияние цементного раство-
ра. При больших толщинах защиты
контроль производится в параллельных
скважинах диаметром 34 мм. Детектор
и источник излучения перемещаются
синхронно.
Для глубин контролируемого слоя
до двух метров разработана специаль-
ная передвижная тележка и погружа-
емая в скважины рамная конструкция,
несущая на одной опоре источник, на
другой — усилительную приставку и
счетчик. При перемещении прибора по
контрольным точкам, рама поднята
вверх, и источник находится в контей-
нере. Для глубин более двух метров
целесообразно заменить жесткую выд-
вижную раму тросами, на которых
производится соосное перемещение ис-
точника и датчика.
Перед эксплуатацией прибор дол-
жен пройти тарировку на специальных
эталонах. Эталон выполняется из
составов бетона, используемых на кон-
тролируемом объекте. В образце преду-
сматриваются отверстия на глубину
зонда. Расстояние между отверстиями
принимается равным шагу контроль-
ных скважин. В зависимости от техно-
логии укладки бетона выбирается мето-
дика тарировки прибора.
В случае заполнения бетонируемых
объектов скрапом с последующей
закачкой цементного раствора (раз-
дельное бетонирование) методика тари-
ровки аналогична тарировке прибора
РПК-1-60. Для объектов, бетонируемых
обычными составами бетона, без допол-
нительного нагнетания цементного
раствора, тарировка прибора сводится
к изготовлению образцов, имеющих
различные величины плотности. Один
образец имеет плотность, принятую
для бетонируемого объема. Плотность
следующих образцов уменьшается по
сравнению с первым на 100 кг/м3.
Контроль плотности бетона массивов
производится в направлении толщины
стенки. Расстояние между контроль-
ными скважинами вдоль стенки зави-
сит от требуемой точности контроля.
По высоте отсчеты производятся через
20—30 см. Зоны пониженной плотности
требуют более тщательного контроля и
определения границы дефекта.
Работы по контролю качества бето-
на могут производиться как в процес-
се бетонирования, так и в затвердев-
ших массивах. В первом случае
возможно оперативное исправление де-
фекта путем доуплотнения бетона и
дополнительного нагнетания раствора в
случае раздельного бетонирования. По
окончании работ скважины заполняют-
ся материалом соответствующей плот-
ности и заливаются раствором.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Методы и средства являются
важными элементами эксперименталь-
ного изучения действительной работы
строительных конструкций, зданий и
сооружений. Эти методы и средства
интенсивно развиваются и совершен-
ствуются. В настоящем учебнике в
меньшей мере отражены вопросы,
связанные с изучением свойств мате-
риалов, так как они рассматриваются
в соответствующих курсах строитель-
ных материалов, металлических, желе-
зобетонных, каменных, деревянных кон-
струкций и конструкций из пластичес-
ких масс. Если на основе тех зна-
ний, которые студенты получают при
изучении свойств строительных матери-
алов построены основы курсов кон-
струкций, то после ознакомления с ме-
тодами определения напряженно-де-
формированного состояния строитель-
ных систем студенты могут проводить
экспериментальные исследования рабо-
ты реальных объектов.
Не рассматривая свойств минераль-
ных вяжущих, неорганических запол-
нителей для бетонов, стеновых, обли-
цовочных, кровельных, гидроизоляци-
онных, теплоизоляционных материалов,
остановимся лишь на контроле свойств
бетонов, металлов и древесины.
Для определения плотности бетонов
используются рычажные лабораторные
равноплечные, настольные гирные или
циферблатные весы. Определение
структуры бетона методом микроско-
пического количественного анализа
заключается в изучении размеров се-
чений частиц и пор в плоскос-
ти среза материалов (шлифов и при-
шлифовок). Производится это с по-
мощью универсальных исследователь-
ских микроскопов, оборудованных по-
стоянной фотокамерой и измерительным
устройством.
Прочность бетонов разрушающими
методами определяется испытанием об-
разцов (кубов, цилиндров, призм) на
сжатие, осевое растяжение и растя-
жение при изгибе. Для этой цели
применяются машины (прессы) и уста-
новки, обеспечивающие измерение уси-
лия с погрешностью не более ±1%
при скоростях нагружения в пределах
0,1 — 1 МПа в 1 с и поддержание
постоянства нагрузки или заданной
деформации образца с погрешностью
±1% в продолжение не менее 20
мин.
Оценка однородности и прочности
бетона осуществляется с использовани-
ем методов математической статистики.
В соответствии с этим различают:
серию образцов — группу контрольных
образцов из одной пробы бетонной сме-
си, твердеющих в одинаковых условиях
и испытанных в одном возрасте; про-
бу — порцию бетонной смеси одного
свойства, отобранную из одного замеса
или из одной транспортной емкости
для изготовления одной или несколь-
ких серий образцов; партию бетона —
контролируемый объем бетона одного
состава, изготовленного за установлен-
ное время и относящегося к од-
ному технологическому комплексу (тех-
нологические линии на заводах, группа
одновременно бетонируемых конструк-
ций) .
При определении прочности бетонов
неразрушающими методами использу-
ют методы, рассмотренные в настоя-
щем учебнике. Основная аппаратура,
используемая при испытаниях, дана в
приложении табл. 1.
Деформации бетонных образцов при
определении их прочностных характе-
ристик измеряются с помощью прибо-
ров, предназначенных для измерения
линейных размеров (микрометрические
скобы) и перемещений (реечно-шесте-
реночные индикаторы, прогибомеры и
т. п.), приспособленные для измерения
деформаций, а также с помощью спе-
циальных средств измерений (рычаж-
ных, оптико-механических, тензорезис-
торных, емкостных и индуктивных
преобразователей).
Статический модуль упругости вы-
числяется по замеренным усилиям,
геометрическим размерам поперечного
Заключение 253
сечения образца и деформациям. Для
определения динамических модулей уп-
ругости, модуля сдвига, коэффициента
Пуассона и логарифмического декре-
мента колебаний используются неразру-
шающйе механические и ультразвуко-
вые испытания.
Морозостойкость бетонов определя-
ется попеременным замораживанием
при минус 15—20 °C и оттаиванием в
воде при плюсовой температуре 15—
20 °C (основной метод). За марку
бетона по морозостойкости принимается
наибольшее число циклов поперемен-
ного замораживания и оттаивания,
которое выдерживает образец установ-
ленных размеров без снижения проч-
ности на сжатие более чем на 15%
по сравнению с прочностью образцов,
испытанных в эквивалентном возрасте.
Так как при основном методе испы-
тания продолжительность процесса
исчисляется 2—10 мес, то существен-
ный интерес представляет разработка
ускоренных методов. Один из эффектив-
ных методов основан на существовании
общих закономерностей накопления
повреждений в материале при испыта-
нии в условиях попеременного замора-
живания-оттаивания и силового пов-
торно переменного нагружения. Про-
должительность определения марки бе-
тона по морозостойкости с помощью
этого метода снижается до 20 раз.
При специфических условиях рабо-
ты бетона возникает необходимость
оценок влагопоглощения, фильтрации
воды, влажности, истираемости и дру-
гих характеристик. Осуществляются
также испытания бетона при срезе
и скалывании, при длительном дей-
ствии нагрузок, при многократно
повторных нагрузках. Все эти испы-
тания проводятся в соответствии с
ГОСТ.
Арматурные стали испытывают на
растяжение, строя при этом диаграм-
му деформирования, свариваемости,
хладноломкости. Исследуют реологи-
ческие свойства арматурных сталей,
поведение при усталостном разрушении,
динамическом упрочнении и высокотем-
пературном нагреве. Выявляют проч-
ность сцепления арматуры с бетоном.
Для оценки качества сталей, при-
меняемых при изготовлении металли-
ческих конструкций, эксперименталь-
но определяют механические характе-
ристики: сопротивление статическим
воздействиям (временное сопротивле-
ние и предел текучести при растяже-
нии), сопротивление динамическим воз-
действиям и хрупкому разрушению
(ударная вязкость при различных
температурах), показатель пластичнос-
ти (относительное удлинение), сопро-
тивление расслоению при изгибе в хо-
лодном состоянии. Кроме того, качест-
во стали характеризуется сопротивле-
нием многократному нагружению, сва-
риваемостью, коррозийной стойкостью.
Для характеристики физико-меха-
нических свойств древесины осущест-
вляют испытания, позволяющие опреде-
лить временные сопротивления (пре-
делы прочности) на растяжение вдоль
волокон, поперечный изгиб, сжатие
вдоль волокон, скалывание вдоль во-
локон, смятие против волокон. Сущест-
венное влияние на прочностные и
деформативные свойства древесины
оказывают влажность и температура.
При повышении влажности прочность
древесины, в том числе и длительная,
уменьшается, деформативность увели-
чивается, модуль упругости снижается.
Для обеспечения проведения соот-
ветствующих испытаний в ЦНИИ
ОМТП Госстроя СССР разработа-
ны рекомендации по составу ос-
новного типового оборудования лабора-
торий строительных организаций. Для
испытания образцов строительных ма-
териалов на сжатие рекомендованы
гидравлические прессы усилием 50—
5000 кН, для испытания образцов
металла и других строительных мате-
риалов на растяжение и изгиб — раз-
рывные универсальные машины уси-
лием 50—2000 кН а также пресс Бри-
нелля, отсчетные микроскопы и твердо-
меры, маятниковые копры, динамомет-
ры образцовые На сжатие усилием
50—3000 кН, динамометры образцовые
254
Заключение
на растяжение усилием 500—2000 кН,
манометры технические и образцовые
на 12—500 ат. Для измерения проги-
бов рекомендованы прогибомеры типа
Аистова и индикаторы часового типа.
Для взвешивания рекомендовано весо-
вое оборудование на 0,2—50 кг.
Для испытания грунтов применяют
следующие приборы: Сабанина, граду-
ированный ареометр для определения
зернового состава глинистых грунтов,
пластичности грунтов, приспособление
для отбора проб грунта без наруше-
ния его структуры, определения ком-
прессионных свойств грунта, предвари-
тельного уплотнения связанных грун-
тов, определения липкости, коэффици-
ента фильтрации песчаных и связан-
ных грунтов, набухания и размока-
ния грунтов, угла откоса, стандартно-
го уплотнения грунтов диаметром 50 и
100 мм, для определения плотности и
влажности грунтов, испытания грунтов
на сдвиг и полевая лаборатория
для испытания грунтов.
Для определения прочности бетона
рекомендовано применение шариковых
молотков и ультразвуковых приборов.
Для измерения защитного слоя бето-
на — магнитострикционный прибор,
для контроля натяжения арматуры —
приборы механического действия час-
тотные. Для определения плотности и
влажности бетона и грунта предложено
использование радиоизотопных при-
боров. В список приборов включены
также дефектоскоп (магнитный каран-
даш), магнитографический детектор,
адгезиметр, импульсный ультразвуко-
вой дефектоскоп, ультразвуковой пор-
тативный импульсный дефектоскоп,
ультразвуковой резонансный толщино-
мер, гамма-аппарат. Выпускаемые про-
мышленностью приборы представлены
в приложении.
Для определения влажности древе-
сины предложено использование элек-
тронных влагомеров ЭВ-2М, ДИ-2М,
ДИ-8.
Методы испытания сооружений поз-
воляют также осуществлять объектив-
ный и активный контроль качества
строительных работ. При этом особое
значение имеет инструментальная оцен-
ка качества работ и приемка в эк-
сплуатацию построенных зданий и со-
оружений.
Основными факторами, которые под-
лежат особенно тщательному обследо-
ванию, являются: неравномерность
осадки здания; качество выполнения
отмосток по периметру здания; нали-
чие трещин в стенах и перекрытиях;
размеры швов между наружными сте-
новыми панелями; герметичность сты-
ков наружных стеновых панелей; про-
гибы перекрытий; температурно-влаж-
ностный режим помещений; гидроизо-
ляция полов в санузлах и ванных ком-
натах, балконов и кровли; качество
наклейки обоев, малярных и облицо-
вочных работ; качество полов и столяр-
ных изделий; звукоизолирующая спо-
собность перегородок и перекрытий.
Решение отмеченных задач осущест-
вляется органолептическими, геодези-
ческими, механическими и другими
методами. В частности, для определения
воздухопроницаемости стыков исполь-
зуется дефектоскоп ИВС-2, принцип
действия которого основан на отсосе
воздуха через стык. Для измерения
толщины эластичных покрытий, накле-
енных на твердые основания, использу-
ется прибор, действующий по принципу
индикатора часового типа. Адгезия
тиоколовых герметиков к бетонным и
цементно-песчаным поверхностям сты-
ков определяют с помощью адгезио-
метра. Пробы тиоколового герметика
вырезают из стыков и испытывают
на разрыв. Для определения перепада
температуры воздуха используют тер-
мощупы. Влажность воздуха опреде-
ляют психрометром.
Разработанная в АКХ им. К. Д.
Памфилова лаборатория — станция
для комплексного обследования жилых
зданий предназначена для осуществле-
ния объективной оценки технического
состояния строительных конструкций
жилых зданий при приемке их в экс-
плуатацию, в процессе эксплуатации и
Заключение 255
при обследовании зданий с целью поста-
новки их на ремонт. Комплект лабора-
тории состоит из 25 различных при-
боров.
Современные тенденции в развитии
методов испытания сооружений связа-
ны с совершенствованием аппаратур-
ного обеспечения. Основы физи-
ческих методов разработаны достаточ-
но полно. Широкое распространение
в практике исследования работы кон-
струкций получают: тепловизионная
техника, лазерные приборы, гологра-
фическая интерференция, дистанцион-
ные установки для фиксации исследу-
емых параметров, однако существенные
трудности возникают при разработке
новых измерительных систем.
Эти системы должны обладать
высокой надежностью и стабильностью,
достаточной точностью, малой инерци-
онностью, незначительными габаритами
и массами, автономностью питания,
наглядностью представления оконча-
тельных результатов измерений. Все от-
меченные требования в настоящее вре-
мя, практически не являются проти-
воречивыми. Однако номенклатура ис-
пользуемых в строительстве измери-
тельных средств еще не велика,
потребность в измерительных регистри-
рующих и обрабатывающих комплексах
не удовлетворяется промышленностью.
В значительной степени у истоков
проектирования приборов для использо-
вания в строительной практике стоят
не специалисты в области электроники
и измерительных систем, а непосред-
ственно экспериментаторы-строители,
что не способствует созданию приборов,
отвечающих современным техническим
возможностям.
Одно из магистральных направле-
ний в совершенствовании измеритель-
ной техники связано с широким исполь-
зованием микропроцессоров как для
переработки первичного сигнала в изме-
ряемую величину, так и для статисти-
ческой обработки получаемых резуль-
татов.
Единство представления получае-
мых результатов может быть достиг-
нуто лишь при использовании для об-
работки достижений математической
статистики (дисперсионного, корреля-
ционного, регрессионного анализов),
методов корреляционной и спектраль-
ной теории случайных процессов, теории
математического планирования экспе-
риментов.
Все это требует поднять инженер-
ный эксперимент в строительстве на
качественно новый уровень, что будет
отвечать тем задачам, которые ставят
перед советскими строителями решения
XXVII съезда КПСС.
ПРИЛОЖЕ НИЕ
Таблица 1 ПРИБОРЫ НЕРАЗРУШАЮШЕГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА КОНСТРУКЦИЙ
Контролируемый параметр Метод Марка прибора
Влажность, % Диэлькометрический ВСКМ-12
Дефектоскопия металла тол- Ультразвуковой УЗД-МВ ТУ
щи ной до 500 мм Напряжение арматуры, МПа Частотный ГСП АП-12
Напряжение арматуры диа- Механический (ИПН-8) ДИНА-82
метром до 26 мм Прочность бетона (время Ультразвуковой ГСП УК-14П
распространения УЗК, мкс) Физико-механические харак- » ГСП УК-10ПМ
теристики строительных ма- териалов (время распростра- нения УЗК, мкс) Прочность бетона (время Ультразвуковой Бетон-12
распространения УЗК, мкс) Прочность бетона (время » УФ-10П
распространения УЗК, мкс) Прочность бетона, МПа Пластические деформа- ПМ-2
Прочность бетона, МПа ции Ударный ИПБ-10УЦ
Прочность бетона (усилие Отрыв со скалыванием ГПНС-4
отрыва со скалыванием МН) То же ГПНВ-5
Прочность бетона, МПа Скалывание ребра УРС-2
Толщина защитного слоя, мм Магнитный ИЗС-10Н
Плотность грунтов и бетона, Радиоизотопный РПП-2
кг/м3 Дефектоскопия металла Ультразвуковой УДМ-3
То же » ДУК-1 ЗИМ
Толщина листового метал- Ультразвуковой ТУК-4В
ла, мм Напряжение арматуры (час- Частотный ИПН-7
тота колебания, Гц) Толщина защитного слоя, мм Магнитный ИЗС-2
Диа па эон измерения Погреш ность, % Индикация Питание Масса, кг
1—40 0,5—2 Цифровая Автономное 7
— — ЭЛТ От сети, ав- тономное 6,5
125—1400 ±4 Цифровая Автономное 1,8
— ±1,5 Визуальная — 3
20—9900 — Цифровая От сети, автономное 1,5
8—9999 — Цифровая, ЭЛТ » 9
20—999,9 — Цифровая Автономное 2,5
150—400 1,0 ЭЛТ От сети 23
10—50 — Визуальная — 1,0
10—70 Не бо- лее 12 Цифровая От сети, автономное 6
0—4000 — Визуальная — 5
0— 5000 ±5 » — 8
10—100 — » -— 6,3
5—32 — » От сети, автономное 4,5
1000—2500 — Цифровая » 16,6
— ЭЛТ От сети 19
— — ЭЛТ, звуко- вой индика- тор От сети, автономное 14
0,32—46 ±2 ЭЛТ От сети 22
10—490 ± 1,5 Визуальный Автономное 3,8
5—70 ±3 » » 4,8
Поиложе ние
Приложение 257
Таблица 2 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (ДАТЧИКИ) МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Назначение Тип электрического преобразователя Марка датчика Диапазон измерений Максималь- ная ампли- туда, мм Диапазон частот, Гц Масса, кг
Измерение сил Т ен зо рез и стор н ы й ДЭС-5 ДЭС-10 ДЭС-20 ДЭС-30 ДЭС-50 0,5—50 кН 1 — 100 кН 2—200 кН 3—300 кН 5—500 кН — — —
Измерение давлений Индуктивный' ДД-6 дд-юм дд-ю 0,1—2 МПа 0,001 — —0,1 МПа 0,02—3 МПа — 0—300 0—200 0—500 0,12 ОД 8 0,18
Тензорезисторный М-70/11 М-56/11 М-120/22 0,004— —0,4 МПа 0,01 — —1,0 МПа 0,03— —3,0 МПа 0—10 0—50 0—50 0,25 0,25 0,25
Измерение статических перемещений Индуктивный ДП-2 0,2—20 мм — — 0,22
Тензорезисторный ТИ-1 0,01—2 мм 0,05—10 мм — — 0,13 0,13
Измерение динамических перемещений Индукционный вэгик С5С ВБП-3 — 2,5 15 150 1 — 100 0,5—50 1 — 100 10,6 11 9,6
Индуктивный ДВ-1 — 2,5 10—120 3,5
Измерение ускорений Индуктивный ДУ-5 — 30—45g 2—200 0,018
Пьезоэлектрический ПД-2 ПД-4 — 30—50— 1 g 5000— — 15000 0,1 — —0,2
Таблица 3 АППАРАТУРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИ И СТАТИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Тип прибора, способ уравновешивания моста Марка прибора Цена деления шкалы А/?//? Диапазон измерений \R/R Время баланси- ровки од го канала, с Способ представления но- информации Масса, кг
Уравновешенный мост с ручной балансировкой ИДЦ-1 2-Ю"5 2-10"2 -30 Цифровой 3
Уравновешенный мост с автоматической балан- АИ-3 2-Ю"5 2-Ю"2 -3 Стрелочный 10
сировкой АИД-4 2-10“5 2-Ю"2 -3 Стрелочный и цифровой 14
Программное поразряд- ное уравновешивание ЦТМ-5 4-10~6 4-Ю"2 -0,5—1 Цифропечать, перфо- лента 30
СИИТ 4-Ю"6 4-Ю"2 -0,05 Цифропечать, перфо- лента, ЭВМ «Электро- ника-60М» 45
258
Приложение
Таблица 4 АППАРАТУРА ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Тип прибора Марка Число каналов Верхний предел регистриру емых частот, Гц Ширина ленты размеры экрана, мм Ча .
Пишущие приборы Н-320 9 10 100 1 -
Н-327 5 100 240
Н-338 8 150 240 35
Светолучевые осциллог- Н-115 12 6000 120 35
рафы Н-109 20 6000 300 51
Н-117 12 6000 120 Зо
Электронно-лучевые ос- С8-2 2 7-10’ 80X80 5G
циллографы С2-69 2 5-106 80ХЮ0 17
С1-33 5 5-106 юохюо 162
Магнитографы Н-046 7 6000 12,7 109
Н-048 14 2000 25,4 150
Таблица 5 СТАТИСТИЧЕСКИЕ АНАЛИЗАТОРЫ СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ
Назначение прибора Марка Диапазон частот, Гц Число пол ОС пропускани* Уровень входного сигнала, В Число уровней анализа Регистрирующее устройство
Амплитудные статистиче- ские анализаторы Коралл 0—10 — 0,1—2 12 Электромеханический счетчик
АР-2 0—200 — 0,1 — 10 20 Индикаторные лампы
АИ-128 0—5-Ю4 — 10“3—10 128 ЦПУ
Анализаторы спектра СЧ-29 0,5—100 5 10~3—100 — Электронно-лучевая
Ф-728 0,9—562 48 10~3—100 — трубка,
АСИЧ АС34 1 — 1000 2—45-103 9 9 0,1 — 10 0,1 — 10 — самописец Н-110
Примечание. ЦПУ — цифро-печатающее устройство
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аронов Р. И. Испытание сооружений:
Учеб., пособ. для вузов. — М.: Высшая школа,
1974. —187 с.
2. Гринберг В. Е., Семетов В. Г., Шойхет Г. Б.
Контроль и оценка состояния несущих кон-
струкций зданий и сооружений в эксплуатаци-
онный период.—Л.: Стройиздат, 1982.—19 с.
3. Долидзе Д. Е. Испытание конструкций и
сооружений: Учеб, пособ. для вузов. — М.:
Высшая школа, 1975. — 252 с.
4. Золотухин Ю. Д. Испытание строительных
конструкций: Учеб, пособ. для вузов. — Минск:
Вышэйшая школа, 1983.—208 с.
5. Лужин О. В., Волохов В. А., Г. Б. Шмаков
и др. Неразрушающие методы испытания бето-
на: Совм. изд. СССР—ГДР/Под ред. О. В. Лу-
жина. — М.: Стройиздат, 1985.—236 с.
6. Тимошенко С. П. История науки о
сопротивлении материалов.— М.: Госстройиз-
дат, 1957.—536 с.
7. Шкинев А. Н. Аварии в строительстве.—
4-е изд. перераб. и доп.— М.: Стройиздат,
1984.—320 с.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Автокомпенсация погрешностей 44
Адгезия 254
Анализ дисперсионный 48
— корреляционный 81
— размерностей 199
— регрессивный 47
— спектральный 81
Анализатор 225
— амплитудный 82
— спектра 82
Аналоговое моделирование 209
Аналого-цифровой преобразователь с микропроцессором 102
Аннигиляционное излучение 119
База измерений тензорезистора 55
Базис съемки 56
Балка градуировочная 74
Баллистический маятник 18
Безотказность 16
Бетатронная установка 114, 115
Блок аттенюаторный 76
— горизонтальной развертки 79
— регулируемой задержки сигнала 81
Вероятность безотказной работы 16, 176
восстановления в заданное время 17
Вибростенд градуировочный 73
Вихревые потоки 131
Влагомеры переносные инструментальные 246
Водородосодержание бетона 246
Возмущения потока тепла 241
Волны гипрозвуковые 103
— инфразвуковые 103
— Лэмба 104
— поверхностные 104
— продольные 103
— ультразвуковые 103
Время установления показаний прибора 43
— экспозиции 242
Выборка из партии тензорезисторов 74
Гамма-дефектоскоп (у-дефектоскоп) 117
Гамма-плотномер 239
Гамма-процентный ресурс 17
Генератор пилообразного напряжения 77
— импульсов 83
Гистерезис 44
Годограф скорости 148
Голограмма -228
Голографическая интерференция 219
Гравитационное воздействие 39
Градации изображения поля температур 242
Градиент потока 237
Границы интервала варьирования 16
— частотного диапазона преобразователя 61
Давление поровое в грунтах 229
Датчик давления 68
— нормальных напряжений 229, 73
— жесткий 230
— комбинированный для измерения нормальных и касатель-
ных напряжений 233
— тонкий эластичный 230
— пьезометрический 234
Делитель 218
Демпфирование 59
Детектор для измерения концентрации радиоактивного ве-
щества 235
— излучения 239
— инфракрасного излучения 242
— фазовый 76
Дефектоскоп для контроля биологической защиты 249
Дешифратор 84
Диафрагма датчика рабочая 233
Длительность фронта импульса 87
Долговечность 16, 91
Защита от излучений 125
Защитный слой бетона 9
Зеркало сканирующее 242
Зерна скелета грунта 229
Зонд измерительный 240
— скважинный 246
Идентификация расчетных моделей 11
Изгибно-крутильные колебания тонкостенных стержней 22
Излучение радиоактивное 235—
— рассеянное 239
Измерения 12
— влажности 124
— геометрических параметров 144, 145
— деформаций 168, 169
Измерения параметров трещин 146, 147
— плотности 124
— прогибов 167, 168
— физических параметров 149
Измеритель давления струнный 231
Изоклины 225
Изотопы радиоактивные короткоживущие 235
— слабо сорбирующиеся на грунтах 237
Изотопное равновесие 237
Изохромы 227
Имитатор абсолютно черного тела 241
Импедансный метод 103
Инвентор 217
Индикаторы космогенные 237
— перемещений 54
— подобия 200
— радиоактивные 235
— — природные 237
Индикаторный пенетрант 93
Инженерная геодезия 9
Интегратор 2 17
Интенсивность излучения 124
— — радиоактивного 236
— счета импульсов 236
— теплового потока во времени 243
— уплотнения 247
Интервал варьирования фактора 46
— доверительный 51
Инфракрасная дефектоскопия 132
Испытания 5
— конструкций зданий и сооружений 7
— метрологические 231
— резонансные 1 78, 180, 181
— сосудов 35
— статические 154
— стендовые 167
— ударной нагрузкой 183
История нагружения 229
Источник плутоний-берилиевый 238
Калибровка измерительного тракта 85
Карротаж скважин 239
— гамма 240
— гамма-гамма 240
Карта изогипс 237
— контрольная статистических параметров 249
Качества показатель базовый 14
— — единичный 14
260 Предметный указатель
— — интегральный 14
- — обобщенный 14
— — реально достигнутый 14
— продукции показатель 14
Кинетика изменения плотности и влажности грунта 238
Клинометр уравнений 55. 162
Компенсация температурных погрешностей схемная 67
Комплекс безразмерный 199
Компоненты напряжения независимые 229
Контроль активный тепловой 243
— бетона статистический 249
— биологической защиты 241
— входной 15, 190, 192, 194
— выборочный 15
— — вибрационный 178, 181
— — геодезический 192, 193
— — инструментальный 5
— — комплексный 196
---сварных швов 106, 120, 191
--- ультразвуковой 181, 191
— неразрушающий 15, 21, 174, 178
— — оперативный 247
— операционный 15, 189, 194
— органолептический 15
приемочный 15, 190, 192, 194
— разрушающий 15
— сплошной 15
— тепювой 241
Контраст температурный 242
Концентратор напряжений 229
Концентрация индикатора массовая — 235
— радиоактивного вещества 235
Корреляционная функция 30
Критерий выявляемое™ дефекта 243
— подобия 198
— — Био 244
— — Фурье 244
— Фишера 52
Критериальный анализ уравнений 201
Коэффициент демпфирования 59
— динамичности 179
— динамического упрочнения 183
— дополнительный затрат 25
— — дренирующего влияния скважин 236
— интенсивности напряжений 185
— — разбавления индикатора 236
— конструктивной поправки 161
— преобразования 42
— приведения затрат 24
- Пуассона 19, 20, 103, 1 12, 214, 215, 220, 227, 253
— — динамический 111
— сопротивления температурный 63
— регрессии 48
— температуропроводности 244
— тензочувствительности 63
— теплопроводности дефекта 242
— учета влажности бетона 93
— — возраста бетона 99
— фильтрации 235
— эффективности капитальных вложений 24
— условий работы 137
Кратковременная импульсивная нагрузка 21
Ксерорадиографический метод 119
Лазерная интерференция 9
Латинский квадрат 47
Магнитограф 79
Магнитографический метод 127
Магнитопорошковый метод 126
Магнитострикционные материалы 36 .
Магнитострикционный преобразователь 105
Математическое моделирование 209
Материалы низкодульные 208
Матрица планирования 49
Масштаб записи временной 85
— подобия 198
— — геометрический 198
— — механический 198
— преобразования 45
— увеличения тензометра 55
— факторного пространства 49
Маятник астатический 74
Мера образцовая 44
Мессдоза грунтовая 69
Метки радиоактивные 237
Метод акустический 91, 169, 170, 176
— акустической эмиссии 103, 147, 169, 171
Метод бокового нивелирования 56
— вибрационный 178
— — перемещений стереофотограмметрическнй 56
— индикаторов 235
— компенсационный 158
— магнитных меток 128
— местных разрушений 94, 149
— местного снятия нагрузки 157
— Монте-Карло 218
— муаров 219
— металлографический 148
— наименьших квадратов 47
— нейтронный определения влажности 238
— неразрушающий 191, 9, 27, 97
— нулевой 75
— огибающих 86
— перемещающегося теплового источника 243
— продольного профилирования 108
— проникающих сред 91
— просвечивания тепловыми нейтронами 113
— сквозного прозвучивания 108
— термоакустической эмиссии 149
— течеискания 93
— тормозного излучения 113
— упругого отскока 94
— фильтрации 81
Метрологическая аттестация средств измерений 11
Метрологическое обеспечение эксперимента 5
Механика разрушения 176, 182
Механический вибратор направленного типа 36
— — ненаправленного типа 36
Миграция влаги 237
Модели-аналоги 209
Моделирование 21, 42, 197
— действительной работы конструкций 208
Модуль сдвига 20
— упругости 20
— — динамический 110
Модулятор 242
Модуляция амплитудная 76
— частотная 79
Молоток Кашкарова 97
Нагрузка 5, 8
— вибрационная 179
— гармоническая 30
— динамическая 10, 28
---детерминированная 30, 155, 174
---случайная 30, 176, 183
— импульсная 30
— — эквивалентная 164
— малоцикловая 176
— непериодическая 30
— периодическая 30
— сейсмическая 180, 181
— ударная 30, 175, 183
Надежность конструкций, зданий и сооружений 16, 91
Напряжение баланса моста 66
Напряжения в грунтах 229
— полные 156, 234
Напряженно-дефбрмированное состояние 80
— — пространственное 229
— — строительных конструкций 5
Наработка 16
Нейтроны 90
— тепловые 240
Нормативный коэффициент эффективности 23
Нуль-индикатор 84
Область определения факторов 46
Образцовые средства измерений 11
Обратный пьезоэффект 36
Одометр 73
Определение прочности бетона отрывом 95
Оптическая анизотропия 219
— разность хода 223
Осциллограф светолучевой 78
— электронно-лучевой 78, 105
Отказ 16, 134
Отрыв со скалыванием 95
Предметный указатель
261
Оценка дисперсии результата измерений 51
Параметр оптимизации 45
— измеряемый 52
Период колебаний 9, 29
— полураспада 237
План эксперимента 47
— — последовательный 47
— - классический 48
— — насыщенный 50
- - рандомизированный 47
Планирование эксперимента 45
Плотномеры переносные инструментальные 246
Плотность бетона 252
— поверхностная 239
Поверка средств измерений ведомственная 11
— — — государственная 11
Поглощение широкого пучка гамма-излучения 239
Погрешности инструментальные 43
- методические 43
— систематические 12, 44
Погрешности случайные 44, 12
— средств измерений суммарные 44
- первичных преобразователей динамических 57
Подвижность изотопообменная связанной воды 237
Подложка тензорезистора 63
Подобие полное 204
— приближенное 204
- аффинное геометрическое 205
— — силовое 205
- математическое 197
- геометрическое 198
— физическое 1 97
Позитроны 113
Ползучесть материалов 19
тензорезистора 74
Поляризационно-оптический метод 219
Поляризация света 221
Понтеромоторный метод 128
Порог чувствительности 42
Порядок полосы 225
Потеря устойчивости 22
Предел измерений 12
текучести 8
Предельное состояние 18
Предметно-математическое моделирование 209
Преобразование Фурье обратное 30
— — прямое 30
Преобразователь аналогоцифровой 81
генераторного типа 61
- емкостный 62
- - измерительный 12 52
индуктивный 62
- индукционный 6 1
- оптический 119
параметрического типа 61
первичный 57
Преобразователь пьезоэлектрический 61
резисторный 62
рентгеновский электронно-оптический 119
струнный 231
- флуороскопический 1 19
электрический 52, 61
электролюминесцентный 119
Прибор Польди 97
Приемник теплового излучения 241
Призматический преобразователь 106
Принцип измерения инерционный 57
- — кинематический 57
Проверка значимости оценок 51
— адекватности выбранной модели 50
Прогибомер 162
барабанно-шестеренчатый 54
- Максимова 21
Пространство плана факторное 46
Пьезометр с пористой набивкой 234
— электрический 235
Пьезоэлектрические материалы 36
Пьезоэлектрический преобразователь 105
Радиационные испытания 91
Радиоволновые методы 92
Радиографический метод 119, 191
Радиодефектоскопия 132
Радиоизотопы 91, 115
Радиометрический контроль 125
Радиоскопический метод 119
Разрешающая способность тепловизора 246
Рамная аналогия 214
Рандомизация 47
Раскрытие дефекта 243
Расценка на одно испытание 25
Реализация случайного процесса 81
Регрессия 47
Режим работы дренажных систем 235
— — режим работы преобразователя акселерометрический 59
— — — виброметрический 59
Резонансный метод 103
Ремонтопригодность 16
Рентгеновский аппарат 114
— метод 113
Рентгенографирование 191
Розетка тензорезистора 88, 160, 163
— веерного типа 89
— дельта типа 88
— прямоугольная 88
Роторный гидропульсатор 39
Сеточный интегратор 209
Силовой пол 33
Система измерительная 75
— маятниковая 60
— информационно-измерительная 57
— управления качеством 14
- - — — комплексная 192
Скважина контрольная 251
— наблюдательная 235
— пусковая 235
Склерометр с магнитоупругим преобразователем 100
— Ужполявичуса 100
Скорость деформирования 183, 184
- коррозии 148
— распространения ультразвука 148
— роста трещины 182, 184, 185
— фильтрации 235
Соединение радиоактивное 235
Сопротивление лобовое грунта 240
Способ вытеснения воды тритием 237
— замещения 44’
Среднее время восстановления 17
Средняя наработка до отказа 16
Стандарты методов испытаний 14
— правил приемки, маркировки, упаковки, транспортировки и
хранения 14
— технических требований 14
Станция пенетрационно-карротажная 240
Стенды испытательные временные 32, 164
— — стационарные 32, 164
Стереокомпараторы 57
Схема замещений 209
— операционного контроля качества 192, 193
Счетчик борный медленных нейтронов 238
Съемка фотограмметрическая 56
Твердость по Бринеллю 96
— — Виккерсу 9 6
— — Роквеллу 96
Температурное разрешение прибора 241
Теневой метод 106
Тензометр рычажный 55
— струнный 72, 169
Тензорезистор 157, 160, 169, 177
— герметизированный 72
— полупроводниковый 65
— проволочный 64
— фольговый 65
Тепловая дефектоскопия 241
Тепловидение 146
Тепловизор 241
Тиоколовый герметик 254
Тормозное излучение 91
Траектории главных напряжений 227
Трасса прозвучивания 106
Угол мгновенного обзора тепловизора 246
— относительного сдвига фаз 59
— преломления 109
У дельные капитальные затраты 25
Ультразвуковой импульсный метод 103, 148, 159
— течеискатель 93
Ультразвуковые акустические методы 103
Умножитель 218
Упругие волны 103
262 Предметный указатель
Уравнение масштабов 200
— регрессии 48
Уравновешивание измерительных мостовых цепей програм-
мное 83
- — — — следящее 83
Усилитель 217
- с амплитудной модуляцией 76
Условия аттестации прибора нормальные 44
— однозначности резу штатов моделирования 203
— подобия 198
— эксплуатации сооружения 136
Феррозондовый метод 127
Ферромагнитные порошки 126
Физико-механические характеристики материала 91
Физическое моделирование 203
Фильтр полосовой 81
Фильтрация сосредоточенная 235
Фон тепловой 241
Формы связи влаги со скелетом грунта 237
Фотограмметрия 9
Фотоэффект 115
Функция отклика 45
— спектральной плотности 30
Хаг s'’еристика ам. г. ”ит\зно-частотная 42, 60
— динамическая 42
— переходная 42
Характеристика ci этическая градуировочная 42
— фазочастотная 42, 60
Характеристическое излучение 115
Цена деления шкалы 12
Центр плана 49
Цепи измерительные прямого преобразования 75
— — уравновешивающего преобразования 75
— мостового типа 66
Цепочка малобазных тензорезисторов 71
Чувствительность датчика 231
— измерительного прибора 12
— к обнаружению дефекта 242
Эксперимент воспроизводимый 46
— многофакторный 47
— однофакторный 46
Электроиндуктивный метод 131
Электромагнитный возбудитель колебаний 40
Электронно-лучевая трубка 77
— оптический усилитель видимого света 119
Электростатический линейный ускоритель 114, 116
Эргодичность стационарного случайного процесса 80
Эхо-метод 106
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ..........................
Г лава 1. Обследование и испытание кон-
струкций, зданий и сооружений ....
1.1. Цели и задачи обследования и испы-
тания сооружений.....................
1.2. Методы обследования и испытания
сооружений............................
1.3. Основы метрологии и стандартизации
в строительстве ......................
1.4. Контроль качества конструкций и со-
оружений .............................
1.5. Понятия об оценке надежности кон-
струкций, зданий и сооружений . .
1.6. Развитие методов обследования и
испытаний конструкций, зданий и со-
оружений .............................
1.7. Оценка эффективности эксперимен-
тальных исследований .................
Глава 2. Методы и средства приложения
силовых нагрузок при исследовании
несущей способности строительных
объектов .............................
2.1. Классификация силовых нагрузок
2.2. Методы приложения статических со-
средоточенных и распределенных на-
грузок ...............................
2.3. Методы приложения динамических
нагрузок .............................
Глава 3. Методология экспериментальных
исследований .........................
3.1. Основные метрологические характерис-
тики средств измерений ...............
3.2. Основы теории планирования экспери-
мента ................................
Г лава. 4. Методы и средства измерений
в инженерном эксперименте . . .
4.1. Особенности измерительных средств
4.2. Измерительные приборы для проведе-
ния статических испытаний конструкций
4.3. Измерения механических величин
с помощью электрических преобразо-
вателей ............................
4.4. Методы оценки характеристик пер-
вичных измерительных устройств
(датчиков) ...........................
4.5. Информационно-измерительные сис-
темы ............................
4.6. Обработка экспериментальных данных
и определение значений исследуемых
величин по результатам измерений
5 Глава 5. Не разрушающие методы испыта-
ния строительных конструкций 91
7 5.1. Определение физико-механических
характеристик материалов .... 91
7 5.2. Метод проникающих сред .... 92
5.3. Механические методы испытаний . . 94
8 5.4. Основы акустических методов испыта-
ния конструкций 103
11 5.5. Радиационные методы................ 113
5.6. Магнитные и электромагнитные . .
14 методы.............................. 125
5.7. Электрические методы испытаний 130
16 5.8. Радиодефектоскопия и инфракрасная
дефектоскопия....................... 132
17 Глава 6. Обследования конструкций и
сооружений.................................. 134
23 6.1. Цели, задачи, особенности методики
проведения натурных обследований 134
6.2. Осмотр объекта, изучение докумен-
тации .................................. 135
6.3. Инструментальные измерения гео-
27 метрических и физических параметров
27 конструкций......................... 144
6.4. Перерасчет и составление заключения
по результатам обследования . . . 150
30
36 Глава 7. Испытания конструкций, зданий
и сооружений................................ 154
7.1. Основы методики натурных испытаний 154
42 7.2. Методы и определения полных напря-
жений в несущих конструкциях экс-
42 плуатируемых сооружений .... 156
7.3. Уточнение расчетной схёмы модели
45 конструкций по результатам испытаний
пробными нагружениями.......... 159
7.4. Методика статических испытаний 163
53
53
Глава 8. Испытания строительных кон- 174
53 струкций динамической нагрузкой .
8.1. Цели и задачи испытаний конструкций 174
динамической нагрузкой................
57 8.2. Испытания натурных сооружений ди-
намической эксплуатационной на- 174
грузкой...........................
72 8.3. Испытания конструкций и сооружений
искусственно создаваемой вибрацион- 178
75 ной нагрузкой...........................
8.4. Динамические испытания при кратко- 183
временном воздействии...................185
85 8.5. Методика испытаний сосудов давления
264
Оглавление
Глава 9. Организация контроля качества
в строительстве.................... 189
9.1. Организация контроля качества на
заводах-изготовителях строительных
конструкций............................. 189
9.2/ Организация контроля качества строи-
тельных и монтажных работ .... 192
9.3. Использование в строительном произ-
водстве прогрессивных материалов,
конструкций и технологических про-
цессов ................................. 196
Г лава 10. Общие понятия о моделировании
конструкций........................ 197
10.1. Виды и классификация методов моде-
лирования .............................. 197
10.2. Условия подобия.................. 198
10.3. Постановка модельного эксперимен-
та ..................................... 207
Г лава. 11. Моделирование работы со-
оружений при различных воздейст-
виях ...................................209
11.1. Аналоговое моделирование . . . 209
11.2. Математическое моделирование . . 218
11.3. Основы поляризационно-оптического
метода исследования напряжений.
Голографическая интерференция.
Метод муаров.......................
Г лава 12. Методы изучения напряжений 22ъ
и давлений в грунтах............. 229
12.1. Измерение напряжений в грунтах
12.2. Измерение порового давления в грун- 234
тах.................................
12.3. Метод индикаторов для исследования
фильтрации в гидротехнических 235
сооружениях и грунтах ....
12.4. Полевые методы определения плот- 237
ности и влажности грунтов .... 239
12.5. Методы каротажа скважин . . .
Глава. 13. Особенности обследования и
испытания сооружений атомных и
тепловых электростанций .... 241
13.1. Физические основы тепловидения 241
13.2. Основы методики теплового контроля
13.3. Контроль за укладкой бетона био-
логической защиты электростанций
(АЭС)..................................246
13.4. Методика статистического контроля
бетона биологической защиты по
величине плотности или водородо-
содержания............................249
13.5. Радиоизотопный гамма-лучевой де-
фектоскоп для контроля защитных
стенок биологической защиты . . . 250
Заключение.............................252
Приложение.............................256
Список литературы......................258
Предметный указатель...................259
Учебник
Ольгерд Владимирович Лужин
Анатолий Борисович Злочевский
Игорь Андреевич Горбунбв,
Владимир Александрович Волохов
ОБСЛЕДОВАНИЕ И ИСПЫТАНИЕ
СООРУЖЕНИЙ
Редакция литературы по строительным
материалам и конструкциям
Зав. ред. И.Х. Наназашвили
Редактор 3. С. Шестопалова
Технический редактор Ю. Л. Циханкова
Корректор Е. А. Степанова
ИБ № 4191
Сдано в набор 25.02 87. Подписано в печать 17 09 87
Т—12089. Формат 70X100/16 Бумага офсетная № 2
Гарнитура «Литературная» Печать офсетная Усл печ л
21,28. Усл. кр-отт. 42,89. Уч.-изд. л. 23,49. Тираж 29 400 экз
Изд. № А.1 —1609. Зак № 130 Цена 1 р 10 к
Стройиздат, 101442, Москва, Каляевская, 23а
Московская типография № 4 Союзполиграфпрома при
Государственном комитете СССР по делам издательств,
полиграфии и книжной торговли 129041, Москва,
Б Переяславская, 46
СЕРИЯ УЧЕБНИКОВ И УЧЕБНЫХ ПОСОБИЙ ПО
СПЕЦИАЛЬНОСТИ «ПРОМЫШЛЕННОЕ И .
ГРАЖДАНСКОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО» ДЛЯ
СТУДЕНТОВ СТРОИТЕЛЬНЫХ ВУЗОВ И
ФАКУЛЬТЕТОВ
Учебники
Архитектура гражданских и промышленных зданий (в двух томах)
Проектирование конструкций жилых зданий
Автоматизированное проектирование строительных
конструкций САПР в строительстве*
Автоматика и автоматизация в строительстве
Строительная механика
Вероятностные методы расчета строительных конструкций
Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция
Гидравлика, водоснабжение, канализация
Технология монолитного бетона
Технология строительного производства
Строительные машины
Охрана труда в строительстве
Железобетонные конструкции
Металлические конструкции
Механика грунтов, основания и фундаменты
Учебные пособия
Введение в специальность
Проектирование промышленных зданий
Решение задач строительства на ЭВМ
Электротехника и электроснабжение
Технология строительства в примерах и задачах
Технология строительного производства
Организация бригадного подряда
Механизация и роботизация строительных процессов
Организация, планирование и управление строительством
Расчет железобетонных и каменных конструкций
Железобетонные монолитные конструкции
Примеры расчета железобетонных конструкций
Проектирование и расчет железобетонных конструкций
Сварка металлических конструкций
Технология изготовления строительных металлических конструкций
Примеры проектирования конструкций из дерева и пластмасс
Инженерная геология
Проектирование оснований и фундаментов
Лабораторный практикум по строительной физике
Сборник задач по курсу «Строительная механика»
SERIES OF MANUALS AND TEXT-BOOKS ON
«CIVIL ENGINEERING» SPECIALITY FOR THE
STUDENTS OF CIVIL ENGINEERING
INSTITUTES AND DEPARTMENTS
Manuals
Architecture of Civil Buildings (in two volumes)
Designing of Residential Building Structures
Computerized Design of Building Structures
Computerized Systems of Design in Construction
Automatics and Automatization in Construction
Structural Mechanics
Probability Methods of Building Structures Estimation
Heat Engineering, Heat and Gas Supply and Ventilation
Hydraulics, Water Supply and Sewerage
Technology of In-situ Concrete
Technology of Building Production
Builder’s Plant
Labour Protection in Civil Engineering
Reinforced Concrete Structures
Metal Structures
Soil Mechanics, Footings and Foundations
Text-books
Introduction into the Speciality
Design of Industrial Buildings
Application of Computers for Structural Solutions
Electrical Engineering and Power Supply
Examples and Problems in Building Technology
Technology of Building Production.
Organization of a Team Contract
Mechanization’ and Application of Robots in Building Processes
Organization, Planning and Management in Construction
Estimating Reinforced Concrete and Masonry Structures
In-situ Reinforced Concrete Structures
Examples of Estimation of Reinforced Concrete Structures
Design and Estimation of Reinforced Concrete Structures
Welding of Metal Structures
Technology of Manufacturing Metal Structures
Examples of Designing Structures of Wood and Plastics
Engineering Geology
Designing Footings and Foundations
Laboratory Practical Work in Structural Physics
Collection of Problems in «Structural Mechanics» Course