Способ определения зон концентрации напряжений в строительных конструкциях
Владельцы патента RU 2315271:
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Казанский государственный архитектурно-строительный университет ФГОУ ВПО КГАСУ (RU)
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения зон концентрации напряжений в строительных конструкциях при многократно повторяющихся циклических нагружениях. Способ заключается в стабилизации до начала циклического нагружения температурных характеристик строительных конструкций, затем при пассивной тепловой стимуляции объекта исследований в измерении температурных полей строительных конструкций тепловизионной аппаратурой в процессе циклического нагружения. Первоначально съемка производится в режиме отдельных кадров, затем, с приближением усталостного разрушения, в режиме непрерывной съемки в виде термографического фильма с последующим анализом и обработкой полученных термограмм. При этом зоны концентрации напряжений в строительных конструкциях соответствуют аномальным областям термограмм с превышением температуры более 0,3°С и за счет этого зоны концентрации напряжений четко выделяются на термограммах объекта исследований. Технический результат заключается в повышении точности, снижении трудоемкости определения зон концентрации напряжений. 7 ил.
Изобретение относится к области исследования напряженно-деформированного состояния строительных конструкций при циклическом нагружении, в частности к определению зон концентрации в железобетонных балках в зоне совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил.
Известен традиционный способ измерения деформаций в строительных конструкциях (на поверхности) - на бетонных, на железобетонных, металлических и деревянных конструкциях с помощью электротензометрии (см. Красиков В.И. Испытания строительных конструкций. - М. - Л., 1952, 367 с.). Этот способ дает удовлетворительные результаты при одноосном напряженном состоянии, например продольное сжатие железобетонных стоек и бетонных призм, сжатая зона изгибаемых элементов в зоне чистого изгиба, пояса и элементы решетки стальных, железобетонных и деревянных ферм и т.д.
Недостатком способа является невозможность получения полной и достаточной информации о напряженно-деформированном состоянии строительной конструкции в условиях плоского напряженного состояния σx, σy, τxy, например в зоне совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил железобетонных изгибаемых элементов, так как:
1) Розетки тензорезисторов замеряют средний размер деформаций на большой базе (на бетоне применяется 50 мм) и по этим измерениям нельзя верно определить направление и размер главных деформаций.
2) В условиях трещинообразования и их развития в этой зоне датчики многих розеток выходят из строя.
Известен способ измерения деформаций на поверхности железобетонных балок при статическом нагружении с помощью оптически чувствительных покрытий (см. Залесов А.С. Сопротивление железобетонных балок действию поперечных сил. // в кн.: «Новое о прочности железобетона», под редакцией К.В.Михайлова. - М.: Стройиздат, 1977. - С.76-92).
Оптически чувствительное покрытие, изготовленное на базе эпоксидных смол, толщиной 1,6 мм наклеивается на поверхность балок между опорой и грузом. При нагружении покрытие деформируется совместно с балкой. Поскольку деформативные свойства материала покрытия отличаются от соответствующих свойств бетона, образование трещин в бетоне не служит причиной немедленного трещинообразования в покрытии. Благодаря этому в покрытии возникает концентрация деформаций, легко обнаруживаемая визуально. В процессе испытаний фиксируются картины изохром, характеризующие разность главных деформаций, и картина изоклин, характеризующая их направление. Используя картины изохром и изоклин, по специальной методике вычисляются значения разности главных деформаций ε1-ε2 и углы наклона между направлениями этих деформаций и осями координат.
Недостатками способа является следующее.
1) Применение химически вредных для организма человека материалов для изготовления оптически чувствительного покрытия.
2) Большая трудоемкость изготовления покрытия.
3) Большая трудоемкость ручной обработки полученных данных.
4) Сложная поляризационно-оптическая система и приемное фотоэлектрическое устройство.
При этом следует отметить, что для получения точности и контрастности получаемых изображений указанная система приборов и устройств должны быть установлены в непосредственной близости от образца, и необходимо обеспечить их неподвижность. При статическом нагружении это удается обеспечить. При циклическом нагружении, из-за больших колебаний самого образца, испытательной установки и подставки, на которую устанавливаются вышеуказанные приборы, особенно при высоких уровнях и больших амплитудах внешней нагрузки, происходят колебания и перемещения поляризационно-оптической системы. Это отрицательно сказывается на точности и достоверности получаемых результатов. Очевидно поэтому этот способ не нашел применения в исследованиях напряженно-деформированного состояния железобетонных элементов при многократно повторяющихся нагружениях.
Известен способ диагностики на основе методов теплового неразрушающего контроля (ТНК). Методы ТНК основаны на взаимодействии теплового поля объекта с термометрическими чувствительными элементами, а также на преобразовании параметров поля в параметры электрического поля и передаче его на регистрирующий прибор (см. Справочник: В 7 т. Т.5: В 2 кн. Кн.1: Тепловой контроль. / В.П.Вавилов. - М.: Машиностроение, 2004. - 679 с.).
Температура, как количественный показатель внутренней энергии тел, является универсальной характеристикой объектов и процессов физического мира, в котором непрерывно происходит генерация, преобразование, передача, накопление и использование энергии в ее различных формах. Анализ температурных полей позволяет получить разнообразную информацию о состоянии объектов и протекании физических процессов в природе, энергетике, промышленности, строительстве, медицине и т.д. Недостатком способа является то, что согласно методике тепловизионной диагностики строительных сооружений, утвержденной Госстандартом РФ (МВИ №1305/442 от 10.01.2001), понятие тепловизионной диагностики строительных сооружений включает только:
- определение частичных и общих теплопотерь;
- обнаружение скрытых дефектов строительства;
- определение (оценку) сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций.
Несмотря на то, что в настоящее время ИК (инфракрасная) - диагностика и методы теплового неразрушающего контроля представляют высокотехнологичную область прикладных исследований, которая объединяет достижения в теории теплопередачи, ИК-технологии и компьютерной обработки экспериментальных данных, они до сих пор не применялись в исследованиях напряженно-деформированного состояния бетонных и железобетонных конструкций, а также и металлических конструкций при циклическом нагружении, т.е в исследованиях усталостного сопротивления строительных материалов, изделий и конструкций вообще.
Изобретение направлено на повышение точности, снижение трудоемкости определения зон концентрации напряжений в строительных конструкциях при многократно повторяющихся циклических нагружениях путем использования тепловизионной аппаратуры.
Результат достигается тем, что в способе определения зон концентрации напряжений в строительных конструкциях при многократно повторяющихся циклических нагружениях до их циклического нагружения стабилизируют температурные характеристики строительных конструкций, затем при пассивной тепловой стимуляции объекта исследований измеряют температурные поля бетонных, железобетонных и металлических строительных конструкций тепловизионной аппаратурой в процессе циклического нагружения сначала в режиме отдельных кадров, затем, с приближением усталостного разрушения, в режиме непрерывной съемки в виде термографического фильма с последующим анализом и обработкой полученных термограмм; при этом зоны концентрации напряжений в строительных конструкциях соответствуют аномальным областям термограмм с превышением температуры более 0,3°С и за счет этого зоны концентрации напряжений четко выделяются на термограммах объекта исследований.
При циклическом нагружении накопленная энергия пластической (неупругой) деформации может превратиться только в тепловую. Поэтому в областях усиленного развития неупругих деформаций (в местах концентрации напряжений) должно происходить повышение температуры. Температурные аномалии возникают только в областях образования и развития зон пластической деформации. Параметры динамики температурных полей при циклическом нагружении зависит от уровня максимальной нагрузки цикла, частоты нагружения и свойств анизотропии. Это распределение температуры нагрева перенапряженных участков строительных конструкций при циклическом нагружении предлагаем использовать для нахождении зон концентрации напряжений в строительных конструкциях, так как температура в этих зонах будет больше, чем в менее напряженных местах.
ИК (инфракрасная) - термография, как один из методов теплового контроля, дает возможность дистанционной регистрации, визуализации и анализа температурных полей объектов. Суть метода теплового контроля состоит в регистрации температурного поля на поверхности контролируемого изделия тепловизионной аппаратурой и последующем анализе термограмм с использованием ПЭВМ для обработки результатов и принятия решения.
В нашем случае, в силу специфики объектов исследования, а именно - изделия из тяжелого бетона, железобетона и металлические конструкции с высокой теплопроводностью, ожидаемые величины перепада температур, на поверхности которых могут составлять сотые и десятые градуса (0,01-0,1°С), накладываются определенные требования по выбору тепловизора с высокой температурной чувствительностью. Также необходимо учесть тот факт, что усталостные испытания это длительный процесс, в течение которого необходимо непрерывно фиксировать возможные механические изменения (деформации, образование, развитие и раскрытие трещин и т.д.) одновременно с измерением поля температур поверхности. При этом требуется также регистрировать абсолютные значения температур в аномальных зонах на поверхности объекта. С учетом данных требований был выбран отечественный тепловизор-радиометр - «компьютерный термограф - ИРТИС-2000», имеющий следующие основные технические характеристики:
| - чувствительность к перепаду температур | |
| на уровне30°С | -0,05°С |
| - мгновенное поле зрения | - 1,5 мрад. |
| - погрешность измерения | - ±1%, |
| - диапазон измерений | - от -40 до 200°С |
Управление работой и предварительная обработка термоизображений проводится на портативном компьютере NOTEBOOK, входящим в состав тепловизора.
Изобретение иллюстрируется термограммами балок после приложения циклической нагрузки, показанных на фиг.1-3; фотографиями балок, выполненных после усталостного разрушения балок с различными пролетами среза в пределах зон концентрации напряжений (установленных предлагаемым способом) и теоретические модели усталостного сопротивления изгибаемых железобетонных элементов при различных пролетах среза, показанных на фиг.4-5.
Способ определения зон концентрации напряжений в строительных конструкциях необходимо проводить в следующей последовательности. Первоначально, объект исследований необходимо установить на испытательный стенд и выдерживать в лабораторных условиях не менее 24 часов с целью стабилизации ее температурных характеристик, а в натурных конструкциях выбрать те дни, когда наблюдается стабильный температурный фон без осадков. Затем проводить настройку тепловизионной аппаратуры с целью достижения оптимальных режимов регистрации тепловых полей объектов исследований. Далее проводить цикл усталостных испытаний по заданной программе.
Для экспериментальной проверки способа определения зон концентрации напряжений в строительных конструкциях в качестве опытных образцов, в частности, были использованы железобетонные балки из тяжелого крупнозернистого бетона марок 300-400 размером 120×345×2000 мм, загруженные двумя симметрично расположенными грузами, размещенными на расстоянии от опоры, равном 0,96 h0, 1,5 h0, 2,5 h0, где h0 - рабочая высота сечения балок. Испытания многократно повторяющейся нагрузкой при различных уровнях циклической нагрузки с коэффициентом асимметрии цикла нагрузки ρ=0,33 проводились на универсальной испытательной машине УРС-50. Все экспериментальные образцы были испытаны в заведомо жестком режиме с целью получения усталостного разрушения при заданных параметрах циклического нагружения. Температура внутреннего воздуха в помещении в момент испытаний составляла 17,2-17,7°С. Измерение температурного поля поверхностей балок тепловизионной камерой ИРТИС осуществлялось в пределах первого цикла (N=1) нагружения до максимальной нагрузки цикла, а затем через определенное количество циклов нагружения N1, N2...Nn многократно повторяющейся циклической нагрузкой для того, чтобы получить динамику развития зон концентрации напряжений в зоне действия поперечных сил. При этом проводилась синхронная регистрация параметров циклического нагружения и соответствующих тепловизионных изображений на жестком диске NOTEBOOK. Тепловизионные изображения фиксировались как в режиме отдельных кадров, так и в режиме непрерывной съемки. Последнее применялось при приближении момента усталостного разрушения балки.
Проведенные усталостные испытания железобетонных балок на действие поперечных сил с применением тепловизионного метода контроля с помощью тепловизора-радиометра ИРТИС-2000 подтверждают выдвинутое предположение о том, что в процессе циклического нагружения происходит нагрев бетона и арматуры в зонах концентрации напряжений. Действительно, в процессе циклического нагружения происходит нагрев бетона и арматуры в местах концентрации напряжений и за счет этого зоны концентрации напряжений четко выделяются на термограммах экспериментальных балок (фиг.1-3). В результате этого установлены области концентрации напряжений в железобетонных изгибаемых элементах в зоне действия поперечных сил при многократно повторяющихся нагружениях. Как следует из полученных термограмм балок, области концентрации напряжений в зоне действия поперечных сил имеют четко выделенные области с превышением температуры на +0,3 - +3°С и более по сравнению с температурой поверхности, менее нагруженных областей (где нет концентрации напряжений). При этом в пределах самих зон концентрации напряжений распределение превышения температур имеет неравномерный характер, от +0,3°С в средних точках зон концентрации напряжений до +3°С и более вблизи опорных и грузовых пластин. При этом следует подчеркнуть, что обнаруженные зоны концентрации напряжений в приопорной зоне балок совпадают с теоретическими (фиг.4-7) при всех пролетах среза.
Например, усталостные испытания железобетонных балок позволили установить, что при циклическом нагружении, в зависимости от относительного пролета среза , где c0 - расстояние от оси опоры до оси груза, все железобетонные изгибаемые элементы, работающие на восприятие поперечных сил, можно разбить на 3 группы:
1) элементы с малым пролетом среза, 
2) элементы с средним пролетом среза, 
3) элементы с большим пролетом среза 
Для каждой группы указанной классификации элементов были разработаны теоретические модели (фиг.4-7) усталостного сопротивления изгибаемых элементов действию поперечных сил.
Как видно из фиг.1, в процессе циклического нагружения в элементах с малым пролетом среза между опорной и грузовой пластинами выделяется полоса с более высокой температурой, что является следствием концентрации сжимающих напряжений в пределах этой наклонной локальной полосы, связанная с точками приложения внешних усилий, в пределах которой из-за виброползучести бетона происходит усиленное развитие неупругих деформаций. Очевидно поэтому эта локальная полоса концентрации напряжений между опорой и грузом в процессе циклического нагружения выделяется двумя трещинами вдоль ее границ и впоследствии между ними происходит усталостное раздробление бетона (фиг.4 и 5). В элементах с большим пролетом среза усталостное разрушение происходит с образованием критической наклонной трещины, траектория которой близка траектории главных сжимающих напряжений (фиг.6). После образования критической наклонной трещины происходит концентрация напряжений в бетоне сжатой зоны и в стержнях поперечной арматуры в местах пересечения с наклонной трещиной. Поэтому на термограмме балки с большим пролетом среза, полученной после приложения циклической нагрузки (фиг.2), эти места в поперечной арматуре и область концентрации напряжений в бетоне над критической наклонной трещиной нагреваются и за счет этого выделяются от менее нагруженных областей. При этом следует отметить, что температурные аномалии в поперечной арматуре проявляются даже сквозь толщу защитного слоя бетона. Как показывают экспериментальные исследования, усталостное разрушение таких элементов происходит в результате усталостного разрыва хомутов в местах пересечения с наклонной трещиной (в местах наибольшего нагрева на фиг.2) с последующим усталостным раздроблением бетона сжатой зоны над наклонной трещиной (в пределах области максимального нагрева на фиг.2). В элементах с средним пролетом среза проявляются особенности как элементов с малым пролетом среза, так и элементов с большим пролетом среза, потому что они находятся на границе этих двух расчетных случаев. В результате усталостное разрушение происходит с образованием критической наклонной трещины, но в то же время на напряженно-деформированное состояние и характер усталостного разрушения существенное влияние оказывают местные возмущения (концентрации) напряжений вблизи опорной и особенно грузовой площадок (фиг.3 и 7). Поэтому на термограмме таких элементов (фиг.3) температурные аномалии в бетоне возникают в пределах наклонного сжимающего силового потока между точками приложения груза и опорной реакции (как в элементах с малым пролетом среза), а также в поперечной арматуре - в местах пересечения с критической наклонной трещиной (как в элементах с большим пролетом среза), а усталостное разрушение элементов происходит в результате усталостного разрыва стержней поперечной арматуры в местах пересечения с критической наклонной трещиной с последующим усталостным раздроблением бетона в сжатой зоне вдоль оси наклонного сжимающего потока (фиг.7).
Измерения температурных полей поверхностей балок в режиме отдельных кадров через определенное количество циклов нагружения, а с приближением разрушения - фиксирование термограмм в режиме непрерывной съемки, позволяют получить также и динамику развития зон концентрации напряжений в процессе циклического нагружения при действии поперечных сил.
Таким образом, при циклическом нагружении в местах концентрации напряжений происходит нагрев этих зон и определение этих температурных аномалий методом теплового контроля позволяет установить зоны концентрации напряжений в строительных конструкциях.
Способ выгодно отличается от традиционных методов контроля напряженно-деформированного состояния строительных конструкций, используемых в настоящее время (изложенных выше), и имеет ряд преимуществ перед ними:
- отпадает необходимость в трудоемких процессах предварительной обработки поверхностей экспериментальных образцов, особенно железобетонных; приклеивания тензодатчиков, сбора их в единую систему и подключения к тензометрической аппаратуре или нанесения фотоупругих покрытий на поверхность образцов и т.д., а также трудоемкого процесса ручной обработки полученных данных;
- бесконтактность процессов измерений и контроля;
- большая возможность автоматизации процесса контроля и его дистанционность, т.е. наличие определенной дистанции между экспериментальным образцом и аппаратурой контроля;
- высокая производительность контроля при практически любой величине разрешения вследствие дистанционного контроля и применения современных средств тепловизионной техники;
- возможность реализации контроля многофункциональной мобильной аппаратурой;
- высокая информативность, в том числе обработанных данных.
Способ определения зон концентрации напряжений в строительных конструкциях при многократно повторяющихся циклических нагружениях заключается в том, что до циклического нагружения стабилизируют температурные характеристики строительных конструкций и при пассивной тепловой стимуляции объекта исследований измеряют температурные поля бетонных, железобетонных и металлических строительных конструкций тепловизионной аппаратурой в процессе циклического нагружения сначала в режиме отдельных кадров, затем с приближением усталостного разрушения, в режиме непрерывной съемки в виде термографического фильма с последующим анализом и обработкой полученных термограмм; при этом зоны концентрации напряжений в строительных конструкциях соответствуют аномальным областям термограмм с превышением температуры более 0,3°С.
