Испытательные стенды и техника загружения конструкции испытательными нагрузками

Испытательные стенды и техника загружения конструкции испытательными нагрузками

Главной частью испытательной установки является испытательный стенд.

Различают стенды временные сборно-разборные и стационарные.

Временные сборно-разборные стенды применяют в том случае, когда испытания конструкции проводят нерегулярно и не в массовом порядке, например стенды, установленные на стройплощадке и полигонах.

Временную испытательную установку, как правило, устраивают в таком месте, где имеются испытательные грузы, расположены испытываемые конструкции и механизмы для загружения конструкции.

Стационарные стенды применяют для оборудования исследовательских лабораторий и в лабораториях крупных заводов строительных конструкций и изделий (в основном железобетонных), где необходима систематическая проверка качества выпускаемой продукции.

Простейшие стенды для испытания балок и плит. На рис.1 показана схема простейшей испытательной установки, которой пользуются при испытании сборных железобетонных плит. Испытываемая конструкция — железобетонная ребристая плита 5 лежит на двух опорах 1. Для устройства опор можно использовать кирпич, бетонные блоки и простейшие виды металлических конструкций — козлы. В пределах пролета плиты расположены страховочные опоры 4. Высота опор берется в пределах от 0,6 до 1,0 м с таким расчетом, чтобы иметь возможность в процессе испытания осматривать нижнюю поверхность плиты.

Рисунок 1. Схема простейшей установки для испытания железобетонных плит:

1- опорные тумбы; 2 - подвижная и неподвижная опоры; 3 - испытательная нагрузка (кирпичные столбики); 4 - страховочные опоры;

5 - испытываемая плита

Как видно из рисунка, в данном случае в качестве испытательной нагрузки использован кирпич в виде отдельных столбов 3.Испытываемая конструкция опирается на опоры 2 при помощи катка и уголковой стали.

На таких же простых стендах можно испытывать балки небольших размеров (рис. 2).

•

Рисунок 2. Установка для испытания балок:

1 - испытательная нагрузка; 2 - опорные тумбы; 3 - страховочные опоры; 4 - испытываемая балка; 5 - настил площадки;

6 - вспомогательные стойки

Ввиду сравнительно малой ширины балок для размещения на ней испытательной нагрузки устраивают специальный настил. Для этого рядом с основными устанавливают вспомогательные опоры 6, в качестве которых можно использовать такую же балку (рис.2,а) или специальный вспомогательный элемент —кирпичные или бетонные столбики (рис.2,б). Наличие таких вспомогательных элементов, помимо своего прямого назначения, обеспечивает устойчивость балки, но требует больших испытательных нагрузок.

Загружение большеразмерных плит весовыми грузами является трудоемкой работой, которая требует сравнительно много времени. Для облегчения процесса испытаний плит можно рекомендовать испытательную установку, в которой для загружения плиты используется давление сжатого воздуха (рис. 3).

На двух опорах 8 уложена балка 9. Каждая балка составлена из двух швеллеров, между стенками которых проходит металлический тяж. На концах этих балок уложены нижние поперечные балки 1, а на них - катки 2; на катки опираются концы испытываемой плиты. Поверх плиты уложена камера, размеры которой в плане соответствуют размерам испытываемой плиты. Поверх камеры укладывается настил из досок толщиной 3—4 см, а на него — верхние поперечные балки. При нагнетании в камеру

воздуха в ней возникает давление, которое передается испытываемой плите.

Для широких плит возможно использование нескольких камер, суммарная ширина которых будет равна ширине плиты. Отдельные узкие камеры должны быть связаны между собой резиновой трубкой.

Рисунок 3. Схема установки для испытания железобетонных плит сжатым воздухом:

1 – нижняя поперечная балка; 2 - опорный каток; 3 – металлический тяж; 4 – дощатый щит; 5 – испытываемая плита; 6 – воздушная камера; 7 – верхняя поперечная балка; 8 – опорные тумбы; 9 – продольная балка, составленная из двух швеллеров

Во избежание случайного механического повреждения камеры ее помещают в брезентовый чехол.

Такой способ приложения нагрузки позволяет обеспечить дистанционное управление процессом нагружения, что в значительной мере снижает трудоемкость исследований. Следует отметить также, что в этом случае требуется ничтожное давление воздуха (порядка 0,2 ат).

При испытании эксплуатируемых конструкций испытательную нагрузку по соображениям трудоемкости испытаний и безопасности проведения работ целесообразно располагать ниже уровня нижнего пояса. Такое загружение осуществляется с применением подвесных платформ (рис.4).

Рисунок 4. Схемы загружения ферм с применением грузовых платформ

Конструкция подвесной платформы зависит от вида испытательной нагрузки. При использовании сыпучих материалов платформа представляет собой деревянный или металлический ящик. При загружении водой можно использовать бочки и т. д. В стропильных фермах, для которых узловая нагрузка обычно невелика, подвеска платформ на каждый узел необязательна, и для сокращения их количества применяют распределительные рычаги (рис. 4).

Согласно схеме загружения, показанной на рис. 4,а, одной платформой загружается 2 узла фермы, а по схеме, показанной на рис. 4,б,—5 узлов. Грузовые платформы можно подвесить непосредственно в узлах конструкции (рис. 5,а) или частично подвесить на конструкцию и частично поместить на добавочные опоры (рис. 5,б).

Рисунок 5. Подвеска грузовых платформ на ферме

При загружении конструкции особое внимание следует уделить вопросу передачи нагрузки на верхний пояс. Если нагрузка приложена эксцентрично в плоскости фермы, то возникает опасность потери ее устойчивости.

Расстояние между низом грузовой платформы и поверхностью пола подбирают с таким расчетом, чтобы оно было больше предполагаемого прогиба конструкции.

Для уменьшения веса испытательной нагрузки можно загружать конструкции с использованием рычажных систем (рис.6).

Рисунок 6. Схема загружения конструкции с применением рычагов:

1 – заанкеренная стойка; 2 – испытываемая конструкция;

3 – рычаг; 4 – платформа с грузом

Неподвижность точки рычага 3 обеспечивается заделанной в пол стойкой 1. На подвижный конец рычага 3 подвешена грузовая платформа 4. Нагрузка на испытываемую конструкцию 2 передается в точке .

Для фиксации точек передачи нагрузок и центрирования опорных частей рычага в местах опирания располагают отрезки гладкой арматурной или уголковой стали (рис. 7). Необходимо, чтобы точки приложения сил на рычаге лежали на одной прямой (точки , см. рис. 6,б), в противном случае при перекосе рычага будет меняться соотношение его плеч.

При малой длине плеча рычага , вследствие его большого наклона, могут появиться силы, действующие на конструкцию в горизонтальном направлении. Эти силы могут вызвать перемещение конструкции из ее плоскости. Если по какой-либо причине приходится работать с рычагом малой длины (рис.7), то на неподвижную точку рычага устанавливают приспособление, например, механический домкрат, при помощи которого можно возвращать рычаг в первоначальное положение.

Рисунок 7. Опорный узел нагрузочного рычага

Показанная на рис.6,а рычажная система представляет собой шарнирное сопряжение рычага со стойкой. Нижний конец этой стойки заанкерен в бетонный массив.

Нагрузка, действующая на конструкцию,

. (1)

Продольная сила, действующая на стойку,

, (2)

где —вес платформы и испытательной нагрузки; — вес рычага.

На рис.8 показана испытательная установка 12-метровой металло-бамбуковой фермы, которая отвечает требованиям, изложенным выше.

При испытаниях можно производить загружение конструкций гидравлическими домкратами. В этом случае не только сокращается время проведения испытаний, но и значительно упрощается как процесс испытаний, так и сама испытательная установка.

Испытание строительных конструкций с применением гидравлических домкратов целесообразно при проведении многократных испытаний, как это имеет место при выборочных испытаниях на заводах железобетонных конструкций и изделий.

Рисунок 8. Испытание 12-метровой металло-бамбуковой фермы

Металлический сборно-разборный стенд. Для испытания линейных конструкций (прогонов, балок, ферм) пролетом не более 18 м применяют металлический сборно-разборный стенд (рис.9). Основной частью стенда являются две металлические сборно-разборные фермы 1, которые расположены параллельно по отношению друг к другу с расстоянием между ними 1 м. Фермы собраны из металлических элементов, составленных из прокатных профилей, соединенных на болтах. Нижний пояс фермы составлен из двух швеллеров, соединенных поперечными диафрагмами. На эти швеллеры посажены фасонки, которые болтами соединяются с элементами решетки.

Рисунок. 9. Сборно-разборный металлический стенд:

1 - ферма; 2 - нижняя поперечная балка; 3 - испытываемая балка;

4 - распределительная траверса; 5 - домкрат; 6 - верхняя поперечная балка

Конструкцию пролетом до 9 м при испытании располагают в пределах одной панели нижнего пояса, а от 9 до 18 м — в пределах пролета. В узлах нижнего пояса расположены столики, которые поперечными балками 2 соединены между собой. На эти балки укладывают опоры испытываемой конструкции 3. В узлах верхнего пояса фермы уложены поперечные балки 6, в которые упираются домкраты 5.

Таким образом, верхний конец домкрата упирается на поперечную балку, а нижний в распределительную траверсу 4, которая усилие, передаваемое от домкрата, передает на испытываемую конструкцию в двух точках.

Особенностью рассмотренного стенда является: стенд сборно-разборный, т.е. он разбирается и легко транспортируется; усилие, развиваемое домкратом, уравновешивается стендом и не требует какого-либо дополнительного устройства (например, силовой плиты).

Стационарные стенды. Различают два вида стационарных стендов: 1) стенды с вертикальным расположением испытываемой конструкции; 2) стенды с горизонтальным расположением испытываемой конструкции.

В настоящее время чаще применяются стенды, в которых конструкции испытываются в вертикальном положении.

В зависимости от расположения домкратов стационарные стенды бывают: с расположением домкратов на уровне верхнего пояса конструкции (рис. 10,а) и с расположением домкратов на уровне пола помещения (рис.10,б). Из этих схем предпочтение отдается второй схеме, ибо для установки домкратов и наблюдения за процессом их работы в первом случае необходимо устраивать специальные подмости и площадки. Во втором случае этого не требуется.

Основной частью стенда (испытательной установки) является массивная железобетонная силовая плита 9, которая воспринимает усилия, развиваемые гидравлическими домкратами 5. В верхних слоях плиты заделаны металлические анкерные балки 8, составленные из двух швеллеров. В анкерных балках крепятся тяжи 1, верхние концы которых связаны с поперечными балками 4. На верхнем поясе фермы расположена распределительная траверса 6, над которой установлен грузовой гидравлический домкрат 5.

На рис. 10,б показана испытательная установка, где тяговые гидравлические домкраты расположены на уровне пола помещения. Эта схема испытательной установки аналогична первой схеме и каких-либо пояснений не требует. Загружение конструкции происходит следующим образом: усилие, развиваемое гидравлическим тяговым домкратом, передается через тяжи и распределительную траверсу на конструкцию.

На таких стендах испытывают конструкции, у которых ширина меньше, чем расстояние между тяжами (между ручьями стенда). В тех случаях, когда ширина испытываемой конструкции больше, чем расстояние между тяжами (например, плиты), необходимо конструкцию ориентировать под определенным углом к стенду (рис.11).

Рисунок. 10. Стационарный стенд для испытания фермы:

а - с расположением домкратов на уровне верхнего пояса фермы; б - с расположением домкратов на уровне пола помещения; 1 - тяжи; 2 - испытываемая ферма; 3 - рама для закрепления верхнего пояса фермы; 4 - верхняя поперечная балка; 5 - гидравлический домкрат; 6 - распределительная траверса; 7 - страховочные опоры; 8- анкерные балки; 9 - силовая плита

Рисунок. 11. Схема испытания плиты, ширина которой больше, чем расстояние между анкерными тяжами:

1 – опорные тумбы; 2 – подвижная опора; 3 - песок; 4 - доска;

5 – распределительная траверса; 6 - тяга; 7 – поперечная траверса;

8- гидравлический домкрат; 9 - испытываемая плита; 10 – страховочные опоры; 11 – силовая плита

Механизированныеи автоматизированные стенды. В целях механизации и уменьшения трудоемкости процесса испытания конструкции применяют механизированные стенды, например стенд, разработанный Г. А. Поповичем и Л. Н. Радченко (НИИСК Госстроя ) (рис.12).

Стенд состоит из фундаментной железобетонной плиты толщиной 1,2 м, являющейся основанием самоходных испытательных машин, перемещающихся вдоль фундаментной плиты стенда, которые могут работать как раздельно, так и синхронно, всей группой.

Рисунок. 12. Механизированный стенд конструкции Г.А.Поповича и Л.Н.Радченко:

1 – фундаментальная плита; 2 – самоходные испытательные машины;

3 – кран балка; 4 – ручьи стенда; 5 – траверсный путь с тележкой для перевода машин с одних ручьев на другие

Самоходная испытательная машина решена по двухколонной схеме с верхним расположением гидравлического домкрата.

Основание машины покоится на четырех катках, установленных на ручьях фундаментной плиты стенда. Перемещение вдоль стенда осуществляется электромотором, установленным на основании машины.

Для перевода машин с одних ручьев на другие в торце стенда устроен траверсный путь с тележкой, верхняя плоскости которой совпадает с плоскостью стенда. Машина въезжает на траверсную тележку, которая перемещается поперек стенда, и в необходимом месте они выезжают на соответствующие ручьи фундаментной плиты.

Управление всеми механизмами машины и загружение конструкции в процессе испытания осуществляется с пульта управления.

Испытание балок, ферм и других элементов шириной до 700, высотой до 3500 и длиной до 20000 мм производится при помощи одной или нескольких самоходных испытательных машин, которые устанавливаются в одну линию и работают раздельно или синхронно.

При ширине конструкции более 700 мм их испытание производится между спаренными машинами, при этом каждая: пара синхронно работающих машин передает нагрузку на конструкцию через поперечные балки. На этих же машинах можно производить испытания вертикальных конструкций на сжатие.

В 1962 г. в тресте «Ленинградстрой» разработан и смонтирован универсальный многоручьевой стационарный стенд, на котором могут быть испытаны конструкции независимо от их конфигурации, имеющие максимальные габариты: длину - 20, ширину - 5,5, высоту-5 м (рис.13).

Рисунок. 13. Общий вид стенда с установленной на испытание блок-коробкой:

1 – стойка; 2 – траверса; 3 – силовая плита; 4 – ручьи силовой плиты; 5 – страховочные приспособления; 6 – насосная станция и пульт управления; 7 – блок-коробка; 8 - башмак

Стенд состоит из железобетонной армированной шести-ручьевой плиты размерами . Ручьи расположены на расстоянии 1,2 м в осях и предназначены для защемления болтов башмаков стоек. В комплекте стенда имеются траверсы различной длины, что позволяет собирать на силовой плите рамы требуемой ширины в зависимости от размеров конструкции. Башмак упирается на специальные элементы – страховочные приспособления.

Сборку стенда ведут с помощью мостового крана. Загружение конструкции осуществляют гидравлическими домкратами, работающими от насосных станций.

В последнее время для заводских испытаний железобетонных изделий применяют несколько разновидностей автоматизированных стендов, в том числе автоматизированный стенд, разработанный ЛКВВИА им. А. Ф. Можайского совместно с трестом «Оргтехстрой», который является быстродействующей установкой, позволяющей осуществлять сплошной контроль плоских железобетонных изделий.

Обобщенным критерием несущей способности и деформативности железобетонных элементов, работающих на изгиб, принята их жесткость

, (3)

где — начальный модуль упругости бетона; — момент инерции сечения, приведенного к бетону.

Испытательный стенд представляет собой электромеханическое устройство, обеспечивающее автоматическую сортировку готовых строительных деталей и изделий по показателю жесткости на три сорта; сортировка осуществляется специальным механизмом с нанесением цифр, обозначающих сорт (I, II, III).

Применение стенда позволяет организовать сплошной контроль несущей способности и деформативности сборных железобетонных плит с автоматизацией процесса испытаний, ускоряющей процесс контроля и уменьшающей его трудоемкость.

Испытание конструкции в горизонтальном положении. Некоторые конструкции (колонны, балки, фермы, арки) можно испытывать в горизонтальном положении.

Стенды для испытания конструкций в горизонтальном положении представляют собой горизонтальную бетонную площадку, размеры которой в плане зависят от размеров испытываемой конструкции.

При испытании конструкции в горизонтальном положении (рис.14) в состав испытательной установки включается мощный упорный элемент 4, воспринимающий усилия, которые передаются на испытываемую конструкцию. В качестве упорной конструкции может быть использована усиленная конструкция 5, аналогичная испытываемой. Могут испытываться одновременно две спаренные конструкции.

Для усиления упорной конструкции, например фермы, на ее нижний пояс натягивается арматура, и пространство между элементами решетки заполняется бетоном.

Опорные узлы испытываемой и упорной конструкций сопряжены тягами. Загружение конструкции осуществляют гидравлическими домкратами, которые устанавливают между узлами двух ферм. Для заполнения расстояния между узлами применяют специальные распорки 3.

В процессе испытания конструкции, в результате деформации отдельные ее участки перемещаются, для чего под конструкцией устраивают катковые опоры. В качестве катков применяют обычно отрезки труб или металлических стержней цилиндрической формы.

Рисунок. 14. Испытание железобетонной фермы в горизонтальном положении:

а – с упором на инвентарную металлическую составную балку; б – с упором на усиленную конструкцию; 1 – тяж; 2 – гидравлический домкрат; 3 – подставка домкрата; 4 – упорная балка; 5 – усиленная ферма

Размещение опор под испытываемой фермой производят с таким расчетом, чтобы исключить выпучивание сжатых элементов. Таким способом обеспечивают ограничение расчетной длины верхнего пояса фермы по направлению сверху вниз. Для предотвращения выгиба конструкции из плоскости снизу вверх следует применять некоторые конструктивные меры, например, анкеровку узлов фермы в плите. Последнее при испытании тяжелых конструкций, например железобетонных ферм, не является обязательным.

В том случае, когда величина хода гидравлического домкрата (примерно 15 см) не обеспечивает деформации, соответствующей разрушению конструкции, становится необходимым перестановка их, что осуществляется следующим образом (рис. 15).

Рядом с домкратом устанавливают две распорки. 3 (рис. 15,а), после чего домкрат разгружают, и усилия передаются на эти распорки (рис.15,б), затем между домкратом и испытываемой конструкцией устанавливают прокладку 5 (рис. 15,в), снова включают домкрат 2 и убирают распорки 3 (рис.15,г).

Испытание конструкции в горизонтальном положении по сравнению с испытанием в вертикальном положении является более простым как с точки зрения испытательной установки, так и с точки зрения трудоемкости всего процесса, но имеет некоторые недостатки: 1) при испытании конструкции в горизонтальном положение она не находится в рабочем положении, исключается влияние собственного веса, что должно быть отдельно учтено при обработке результатов испытания; 2) при осмотре конструкции в процессе испытания испытателю доступна только одна ее сторона (верхняя), а для многих железобетонных конструкций важно обнаружить появление первых трещин осмотром конструкции с двух сторон:

Рисунок. 15. Схема перестановки домкрата при испытании фермы:

а – ход домкрата исчерпан и между поясами испытываемой фермы 1 и упорной конструкции 4 вставлены распорки 3; б – домкрат 2 разгружен и нагрузка передается на распорки; в – между домкратом и испытываемой конструкцией уложена прокладка 5; г – нагрузка от домкрата передается на ферму через прокладку 5, распорки сняты

Поэтому в настоящее время более распространено испытание конструкций в вертикальном положении.