Випробування конструкцій динамічними навантаженнями

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Російська Федерація

Далекосхідний державний
університет шляхів сполучення
Кафедра
"Будівельні конструкції"
Г.С. Якутін
ВИПРОБУВАННЯ КОНСТРУКЦІЙ Динамічні навантаження
(Методичний посібник)
Хабаровськ
2005

Російська Федерація
Далекосхідний державний університет шляхів сполучення
Кафедра "Будівельні конструкції"
Г.С. Якутін
ВИПРОБУВАННЯ КОНСТРУКЦІЙ Динамічні навантаження
Методичний посібник
Хабаровськ
2005

Р Е Ц Е Н З І Я
на методичний посібник
"ВИПРОБУВАННЯ КОНСТРУКЦІЙ Динамічні навантаження".
Автор Якутін Г.С.
Методичний посібник складено відповідно до програми курсу "Обстеження, випробування і реконструкція будівель і споруд" відображають розділ "Випробування конструкцій динамічними навантаженнями, проведення випробувань в лабораторних умовах, обробка результатів, визначення похибки" і призначений для студентів спеціальності 2903 "Промислове та цивільне будівництво" всіх форм навчання.
Посібник розроблено для вивчення методу визначення характеристик будівельних конструкцій динамічними навантаженнями, містить короткі теоретичні передумови з теорії та практики, числові приклади. Матеріал висвітлює лабораторну роботу, в якій викладено методику визначення шуканих параметрів натурної конструкції за допомогою випробування вібраційної навантаженням. Для більшої наочності в посібнику наведено приклад випробування сталевої балки з метою визначення частоти власних коливань, динамічного напруження і похибки в отриманих експериментальних результатах. Дан наочний приклад заповнення журналів випробувань. Дано контрольні питання для самостійної підготовки студентів.
Рівень викладу матеріалу відповідає сучасним вимогам.

Методичний посібник рекомендуються до видання.
Професор кафедри
"Будівлі та споруди" ДВГУПС ________________ П.Я. Гртгорьев
УДК
ББК
Я
Рецензент:
Професор кафедри "Будівлі та споруди" ДВГУПС, Григора В.А.
Якутін Г.С.
Я. .... ВИПРОБУВАННЯ КОНСТРУКЦІЙ динамічні навантаження. Методичний посібник з виконання лабораторної роботи - Хабаровськ: Вид-во ДВГУПС. 2005 мул.
Викладені питання теорії і практики випробування конструкцій динамічними навантаженнями. Наочно показаний конкретний приклад випробування конструкції на її фізичної моделі динамічної навантаженням. Наведено деякі відомості, необхідні для статистичної обробки результатів досліджень. Дан приклад заповнення журналу випробування.
Методичний посібник призначений для студентів спеціальності 2903 "Промислове та цивільне будівництво", 2915 "Експертиза та оцінка нерухомості" всіх форм навчання.
Ó Якутін Г.С.
Ó Вид-во Далекосхідного державного університету шляхів сполучення (ДВГУПС), 2005

ЗМІСТ
ВСТУП ................................................. ................................................. 6
1. ЦІЛІ І ЗАВДАННЯ ВИПРОБУВАНЬ КОНСТРУКЦІЙ Динамічні навантаження ........................................... ................ 7
2. ВИПРОБУВАННЯ МОДЕЛЕЙ ................................................ ........................... 12
2.1. Завдання, які вирішуються випробуванням моделей ............................................. ... 15
3. ДИНАМІЧНІ НАВАНТАЖЕННЯ ................................................ .................... 15
3.1. ВИПРОБУВАННЯ НАТУРНИХ СПОРУД ДИНАМІЧНОЇ ЕКСПЛУАТАЦІЙНОЇ НАВАНТАЖЕННЯМ ............................................ ......... 16
3.2. ВИПРОБУВАННЯ КОНСТРУКЦІЙ І СПОРУД Штучно створювалися Вібраційні навантаження ...... 17
4. ПРОВЕДЕННЯ ВИПРОБУВАННЯ ................................................ .................... 22
4.1. Експериментальне визначення частоти вільних коливань конструкції ............................................ .................................................. .22
4.2. Визначення динамічних коефіцієнтів ......................................... 23
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА. "ДИНАМІЧНЕ ВИПРОБУВАННЯ СТАЛЕВИЙ БАЛКИ. ВИЗНАЧЕННЯ ПОХИБКИ РЕЗУЛЬТАТІВ ВИПРОБУВАНЬ "....................................... .................................................. .... 21
4.1. Вібровимірювальних прилади ................................................ .......... 21
4.1.1. Відомості про теорію і класифікація приладів ........................ 21
Техніка безпеки при виконанні лабораторної роботи
2 Цілі та завдання роботи
Обладнання та прилади.
Порядок виконання роботи
Зміст звіту
Контрольні питання
ДОДАТОК
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
ВСТУП
Розвиток народного господарства Росії, інтенсифікація, механізація і автоматизація, виробництва викликають необхідність будівництва нових промислових комплексів і модернізацію існуючих заводів. Розширення виробництва, встановлення нового більш потужного, високопродуктивного устаткування веде до збільшення навантажень, що передаються на несучі будівельні конструкції будівель і споруд, а отже, і до все більшого впливу на них динамічних дій, в тому числі і групових, від великої кількості однотипних машин і механізмів .
Динамічні напруження і деформації в рейках, динамічна стійкість земляного полотна і вплив динамічних впливів на розташовані поряд з коліями будівлі і споруди є важливими проблемами для залізничного транспорту. Ці проблеми багаторазово зростають у міру збільшення швидкості руху, навантаження на вісь і вантажного потоку на сталевих і автомобільних магістралях.
Дедалі більше прагнення до економічному використанню забудовуваних територій веде до подальшого збільшення поверховості будинків і висоти споруд, що призводить до значного збільшення динамічної складової вітрового напору (пульсація вітру).
Частина території Російської федерації схильна сейсмічним впливам: Кавказ; Камчатка; Сахалін; значна частина Хабаровського краю; Єврейська автономна область і інші райони. Світовий досвід, набутий в результаті відбулися катастроф від землетрусів, показав, що економічно доцільно будувати будинки і споруди так, щоб вони успішно протистояли сейсмічним впливам з досить малою ймовірністю руйнування. З цією метою при проектуванні необхідно приділити особливу увагу до здобутків, розрахунку та конструювання, а при будівництві - до якості виконання робіт та бездоганного виконання всіх проектних рекомендацій. Будинки і споруди з новими конструктивними схемами обов'язково повинні бути схильні до експериментальної перевірки прийнятих допущень, будівельно-монтажних робіт і надійної роботи будівлі або споруди в цілому.
Велика область, пов'язана з особливістю розрахунку будівельних конструкцій на динамічні дії, ще не вивчена. Для вирішення багатьох питань потрібні подальші теоретичні та експериментальні перевірки та вивчення. Метод випробування будівельних конструкцій і споруд динамічними навантаженнями дозволяє перевірити розрахункові характеристики серійно випускаються конструкцій, встановити розрахункову схему побудованого будинку або споруди та виявити взаємозв'язок між роботою окремих елементів будівлі (споруди) і деформативні характеристиками підстави. Цим методом нескладно встановити міцнісні та деформативні характеристики земляного полотна на транспортних магістралях.
Роль експериментальних методів динамічними навантаженнями висока, що вимагає від майбутнього інженера доброго знання методів проведення динамічних випробувань, вміння користуватися засобами вимірювання, навичок статистичної обробки отриманих результатів.

1. ЦІЛІ І ЗАВДАННЯ ВИПРОБУВАНЬ КОНСТРУКЦІЙ Динамічні навантаження
У відповідності з об'єктом, завданнями та методикою експерименту, можна виділити три основні групи випробувань динамічним навантаженням:
1) випробування конструкцій існуючих будівель і споруд;
2) випробування будівельних деталей серійного виготовлення;
3) науково-дослідні випробування.
Зазначені випробування виконують з метою:
- Визначення впливу динамічних навантажень на міцність, витривалість, жорсткість і тріщиностійкість будівельних конструкцій;
- Оцінки можливості встановлення на конструкціях механізмів, що створюють динамічні дії, щоб не допустити резонанс і шкідливий вплив вібрацій на хід технологічних процесів і на умови праці, коли коливання негативно фізіологічний вплив на організм людини;
- Розробки заходів щодо зменшення коливань;
- Перевірки розрахункових характеристик і якості, серійно виготовляються і експлуатованих конструкцій за частотою та інтенсивністю загасання власних коливань;
- Перевірка наукових гіпотез;
- Перевірка несучої здатності нових винайдених конструкцій.
Перераховані цілі і завдання, природно, не вичерпують всіх питань, які ставляться практикою експлуатації будівельних конструкцій в нормальних і, тим більше, в особливих умовах роботи.
Розглянемо докладніше окремі завдання динамічних випробувань і цілі їх дослідження в залежності від об'єктів.
1) Споруди та окремі конструкції, які підлягають здачі в експлуатацію.
Об'єкти, розраховані на вплив динамічних навантажень (мости, конструкції ряду промислових споруд і т.д.), зазнають з метою перевірки їх роботи в умовах, максимально наближених до експлуатаційних умов. При цьому визначають динамічні параметри, так, наприклад, за частотою власних коливань окремих елементів можна судити про їх жорсткості, а отже, і про відповідному модулі пружності матеріалу; за формою коливань можна виявити наявність розбіжностей між прийнятою розрахунковою ситуацією і дійсною роботою досліджуваного об'єкта і т . д. Використовують зіставлення характеристик міцності однотипних елементів у спорудах шляхом порівняння частот та інтенсивності загасання їх власних коливань. При незначній витраті праці та часу можуть бути, таким чином, виявлені ослаблені ділянки в досліджуваних об'єктах.
2) Споруди і конструкції, що знаходяться в експлуатації.
Результати повторних динамічних випробувань, при зіставленні їх з первинними випробуваннями, дозволяють судити про зміну стану досліджуваного об'єкта в часі. З цією метою, динамічні випробування можуть проводитися в наступних випадках:
-В плановому порядку, якщо це передбачено правилами експлуатації;
-Після ремонту і підсилення конструкцій;
-При наявності сумніву в збереженні необхідної несучої здатності і жорсткості, наприклад, після пожежі, при істотному ураженні корозією і т.п. Від статичних випробувань, які можуть бути представлені з цією ж метою, динамічні випробування вигідно відрізняються значно меншою трудомісткістю і можливістю проведення їх у більш стислі терміни.
При динамічних випробуваннях експлуатованих конструкцій можуть ставитися й інші завдання. Наприклад, при необхідності розміщення нового обладнання з вібраційними впливами. У ряді випадків виявляється доцільним попередня експериментальна перевірка частот власних коливань конструкцій, на які встановлюється обладнання, щоб уникнути небажаного збігу цих частот з частотами силових впливів, від підлягають встановленню агрегатів. Якщо надмірні коливання спостерігаються при роботі вже встановленого обладнання, аналогічні експериментальні дослідження проводяться з метою обгрунтування та розробки заходів щодо усунення вібрацій.
3) Будівельні конструкції серійного виробництва.
Мала трудомісткість і швидкість проведення динамічних випробувань дозволяють застосовувати їх для контролю якості виробів, що випускаються. Основними параметрами, чутливими до наявності дефектів і зниженим характеристиками матеріалу в досліджуваних виробах, є частота та інтенсивність затухання їх власних коливань. Проведена динамічна перевірка не знижує несучої здатності випробуваних конструкцій і не перешкоджає їх використанню за основним призначенням.
4) Науково-дослідні.
Проводяться в основному за такими напрямками:
- При застосуванні нових конструктивних рішень;
- При апробації нових методів розрахунку;
- При використанні нових будівельних матеріалів з характеристиками, які вимагають перевірки під дією навантаження;
- При особливих режимах експлуатації.
1.0
0.8
0.9
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.075
0.15
0.33
0.5
0.7
0.85
0.925
1.0


Рис. 1. Залежність відносної міцності бетону від характеристики циклу

Такі випробування можуть проводитися як на натурних об'єктах, так і на моделях з використанням теорії моделювання. Розглянемо одне завдання - вплив багаторазово повторюваних навантажень на міцність матеріалу. При дії таких навантажень з числом повторень за час експлуатації конструкції у кілька мільйонів разів межа міцності матеріалу в залежності від характеристики циклу зменшується. На малюнку 1 зображено крива залежності для бетону від характеристики циклу .
Експериментально встановлено, що межа витривалості бетону може знизитися до в залежності від виду напруженого стану. Величина необхідна для розрахунку конструкцій при дії багаторазово повторюваного навантаження.
Експериментально визначають коефіцієнт динамічності, який знижує міцність матеріалу в залежності від циклу . Характеристики циклів дані на малюнках 2, 3.
a) Несиметричний цикл.
Напруга
s ср
s max
s min
s a
Цикл
Час
Рис. 2. Характеристика несиметричного циклу
Підпис: НапругаПідпис: sсрПідпис: smaxПідпис: sminПідпис: sa


На малюнку 2 Встановлені наступні позначення:
- Напруга циклу
(1)

- Амплітуда циклу
(2)

- Коефіцієнт асиметрії

b) Симетричний цикл
Напруга
s max = s a
s min = s a
Цикл
Час
Рис. 3. Характеристика несиметричного циклу
Підпис: НапругаПідпис: smax = saПідпис: smin = sa


Напруга
s ср
s max
s min = 0
s a
Цикл
Час
Рис. 2. Характеристика несиметричного циклу
Підпис: НапругаПідпис: sсрПідпис: smaxПідпис: sa

Якщо і назад за знаком, тобто , То цикл зміни напружень називається симетричним.
При симетричному циклі середня напруга дорівнює нулю.
c) Пульсуючий цикл
Якщо найменше напруга дорівнює нулю, тобто , То цикл називається пульсуючим.
При розрахунку споруд, на які діють змінні напруги, основною характеристикою міцності матеріалу є межа витривалості. Межею витривалості (втоми) називається найбільше напруження, яке матеріал у стані витримати при даній асиметрії циклу необмежено велике число циклів. Якщо говорять про межу втоми, не вказуючи при цьому коефіцієнт , То в цьому випадку мається на увазі симетричний цикл напруг.



Рис. 5. Залежність граничних амплітуд напружень циклу від середніх
Метою випробувань матеріалів на втому є визначення меж втоми (витривалості) та виявлення впливу на їх величину різних факторів. Розглянемо визначення межі витривалості при несиметричному циклі. Для цього побудуємо діаграму з найбільш часто застосовуваних способів (малюнок 5). По осі абсцис відкладені - Середні напруги циклів, а по осі ординат - Граничні амплітуди циклів. Крива відображає залежність граничних амплітуд напружень циклу від середніх. Будь-який цикл може бути охарактеризований координатами точки кривої.
За граничної кривої міцності визначають величину межі витривалості при даному середньому напрузі. Цикли напружень обмежені віссю абсцис, віссю ординат і цієї кривої представляють безпечні цикли напружень. Маючи таку діаграму для даного матеріалу, нескладно визначити амплітуду напруги, яку може витримати матеріал, не руйнуючись при даном середньому напрузі.
2. ВИПРОБУВАННЯ МОДЕЛЕЙ
Випробування натурних об'єктів динамічним навантаженням трудомісткі і дорогі, однак не надають можливості вирішити багато теоретичні завдання, пов'язані з будівництвом будівель в сейсмічних районах і в особливих умовах. Як показує практика, випробування на моделях можуть замінити натурні і в багатьох випадках є більш ефективними, ніж натурні. Принципово на моделях можна вирішувати будь-які завдання, що виникають на практиці, при відповідному технічному та економічному забезпеченні.
Форма коливань несучих конструкцій залежить від різноманітних чинників: жорсткості елементів і вузлів їх сполучень на вигин і зрушення, впливу зв'язків і діафрагм, навантаження і послідовності завантаження та
розвантаження, деформацій підстави. Внаслідок цього багато динамічні характеристики коливань випробовуваних конструкцій виявляються нелінійними, що ускладнює аналіз результатів випробувань. Такі завдання простіше дослідити при випробуванні моделей.
Випробування моделей звичайно поєднують із статичними випробуваннями і проводять аж до руйнування моделі.
Модель руйнування розраховують на підставі теорії подібності з урахуванням сил ваги й інерції. Умови динамічного подібності при пружною роботі моделі визначаються за формулами:
(4)
для сил ваги
(5)
для сил інерції
де - Прискорення вільного падіння;
- Щільність матеріалу;
(6)
- Масштаб напруг:

-Лінійна деформація;
- Масштаб прискорень:
(7)

- Час.
Перехід від натурної конструкції до моделі, здійснюється введенням системи масштабів перетворення:
і т. д.
Моделювання сил інерції здійснюється шляхом укладання або підвішування в певних точках моделі додаткових вантажів, що імітують дію об'ємних сил. Останні можуть бути отримані і при відцентровому моделюванні. Для цього маломасштабную модель поміщають в центрифугу, де в залежності від швидкості її обертання створюється відповідна сила інерції: Враховуючи, що поле відцентрових сил не тотожне полю сил ваги, розміри моделі і центрифуги задають так, щоб зменшити похибки неоднорідного силового поля.
І.С. Інютін (БелІІЖТ) розроблено метод об'ємного моделювання масових сил з «заморожуванням» деформацій після навантаження. При цьому в якості силового поля для навантажування об'єктів або їхніх моделей, виготовлених з магнітодіелектриків, використовуються пондеромоторние (механічні) сили постійних електромагнітних полів, а в якості пристроїв для вимірювання деформацій - тензорезистори з малими базами, які залежно від цілей досліджень закладають всередину тіла об'єкта або приклеюють на його поверхню.
Теорія динамічного розрахунку будівельних конструкцій, що працюють в податливою середовищі, розроблена В.Ш. Барбакадзе. Методика дрібномасштабного моделювання динамічних явищ розроблена І.С. Шейніна.
Випробування великомасштабних моделей у натуральної величини проводять з використанням вібраційних машин, за допомогою яких відчувають натурні фрагменти вузлів і з'єднань окремих елементів, а потім і спорудження в цілому. Принцип поелементного моделювання дає можливість вивчити роботу окремих найбільш відповідальних вузлів і з'єднань нової конструкції, визначити їх деформативність і несучу здатність, щоб використовувати отримані результати при випробуванні великомасштабної моделі або натурної конструкції.
Для динамічних випробувань розроблені різні за потужністю та характеристиками вібраційні машини, які дозволяють розвивати інерційні горизонтальні сили, як в моделях, так і в натурних об'єктах - побудованих будинках, відповідні сейсмічним впливам до 9 балів. Для зменшення впливу додаткових форм коливань вібромашини закріплюють поблизу центру ваги моделі. Розміщення решти вібраторів залежить від цілей і завдань випробування, характеру взаємодії моделі з основою, піддатливості стиків і зв'язків і т. д.
Динамічні випробування часто суміщають із статичними. Їх поєднання дозволяє:
· Більш повно дослідити напружено-деформований стан;
· Побудувати епюри згинальних моментів, нормальних і поперечних сил при статичних завантаженні;
· Встановити характер зміни частот і амплітуд коливань при динамічних завантаженні;
· Уточнити вплив інерційних сил на несучу здатність моделі.
2.1 Завдання, які вирішуються випробуванням моделей
На фізичних моделях можна вирішувати велику кількість будівельних завдань, а саме:
-Визначення несучої спроможності і схеми руйнування;
-Жорсткості, стійкості і витривалості окремих елементів і моделі в цілому;
-Визначення силових впливів на споруди від вітру, водяних хвиль, тиску сипких тіл, вибуху та ін;
-Визначення напружено-деформованого стану конструкцій і споруд як надземних, так і підземних;
-Визначення частот, амплітуд і форм коливань споруд при заданих динамічних, сейсмічних та вибухових впливах;
-Вплив об'ємних сил на напружений стан і сполучення з грунтом основи;
-Моделювання вибухів і багато інших завдань.

3. ДИНАМІЧНІ НАВАНТАЖЕННЯ
Багато будівельні конструкції (в тому числі земляне полотно) сприймають динамічні дії, що повідомляють їх масам прискорення і викликають появу інерційних сил і коливань. До динамічних впливів відносяться навантаження, швидко змінюють свою величину, напрям або місце для вкладання на конструкції.
Класифікація динамічних навантажень дуже різноманітна. Динамічні навантаження можуть бути детермінованими (певними, невипадковими) і випадковими. Велика частина детермінованих навантажень описується законом їх зміни в часі. Такі навантаження виникають при роботі механізмів з неврівноваженими масами, електродвигунів і генераторів, вентиляторів і молотів, кривошипно-шатунних механізмів і ін Для випадкових навантажень до проведення випробувань не можна передбачити їх конкретний характер, хоча при наборі великої статистичної інформації можна виявити їх певні імовірнісні характеристики.
При розгляді стаціонарних випадкових навантажень, якими, зокрема, є вітрові навантаження на висотні будівлі і споруди, хвильові навантаження на причальні споруди, необхідно знати або функцію спектральної щільності , Або кореляційну функцію , Які пов'язані між собою прямим і зворотним перетворенням Фур'є
(8)
,
(9)

Динамічна навантаження може бути нерухомою і рухомою. До нерухомої - відносяться впливу на споруди стаціонарно встановленого обладнання, рухомий - впливу на будівельні конструкції кранів, електрокарів, рухомого складу, а також переміщення людей.
За характером зміни навантажень у часі розрізняють неперіодичні, імпульсні, періодичні, гармонійні. Особливий характер носить ударне навантаження.
Прикладами неперіодичної навантаження може бути вплив на будівельні конструкції вибухових навантажень, зумовлених вибухом вибухових речовин, горінням газової суміші і т. д. В окремих випадках такі навантаження можуть діяти відносно короткий проміжок часу. У цьому випадку стає несуттєвим характер розподілу навантаження в часі. Якщо час дії навантаження підпорядковане нерівності , Де - Найбільший період власних коливань конструкції,, то ефект оцінюється значенням величини чинного імпульсу , Яка визначається виразом
(10)
.
Під ударної навантаженням розуміється вплив на будівельну конструкцію інший маси, коли необхідно враховувати взаємодію двох, а іноді і більше, соударяются тел. У цьому випадку іноді виникає необхідність вивчення місцевих явищ, що протікають поблизу точок дотику, а також закономірностей поширення хвильових коливань.
3.1. ВИПРОБУВАННЯ НАТУРНИХ СПОРУД ДИНАМІЧНОЇ ЕКСПЛУАТАЦІЙНОЇ НАВАНТАЖЕННЯМ
При обстеженні експлуатованих будівель і споруд, на конструкції яких діє динамічне навантаження, експериментальні дослідження в основному проводяться в умовах дії цього навантаження. Завдання дослідження зводиться до реєстрації параметрів характеризують роботу конструкцій. Порівняння отриманих значень динамічних деформацій і переміщень з нормативними значеннями дозволяє перевірити умови експлуатації.
Динамічні коливання будівельних конструкцій надають несприятливий вплив не тільки на міцнісні характеристики конструкції, але і на людей і технологічні процеси.
Нормативні документи встановлюють гранично допустимі значення параметрів динамічних коливань (вібрацій) шкідливих для людини. Відомо, що коливання роблять на людину негативний психологічний вплив і можуть викликати важкі фізіологічні розлади (виброболезнь). Основними критеріями оцінки вібрацій є їх амплітуди і частоти, а так само тривалість впливу динамічних коливань на організм людини.
В електронній, оптико-механічного та машинобудівної промисловості деякі технологічні операції проводяться під мікроскопом з точністю до часток мікрона. У цих випадках рівні допустимих вібрацій суворо обмежені, і для їхнього дотримання передбачають розробку спеціальних заходів щодо зменшення або усунення коливань.
До типових навантажень, при яких проводяться динамічні випробування експлуатаційним навантаженням, відносяться:
-Вібраційне навантаження, створювана роботою механізмів з неврівноваженими масами, наприклад, від компресорів, вібростоли, грохотів, верстатів та ін;
-Динамічна складова вітрового навантаження, яка має суттєвий вплив на висотні споруди (щогли, димові труби тощо) і багатоповерхові будівлі висотою понад 40 м;
-Ударна навантаження від дії копрів, молотів та ін;
-Рухома навантаження від транспорту, кранів та ін
3.2. ВИПРОБУВАННЯ КОНСТРУКЦІЙ І СПОРУД Штучно створювалися Вібраційні навантаження
У процесі вібраційних випробувань деформації і переміщення в різних точках конструкції змінюються в часі за гармонійним законом. Розрізняють випробування в режимі власних і вимушених коливань.
Випробування в режимі власних коливань в натурних умовах відтворюється значно простіше. Проте використання результатів таких випробувань обмежується можливістю створення і дослідження однієї, в кращому разі, двох форм власних коливань, хоча для вирішення багатьох практичних завдань ця інформація є цілком достатньою.
Випробування в режимі вимушених коливань складніше у виконання, але цінніше, інформативніше за своїми результатами. Вимушені коливання створюються в околорезонансних режимах і забезпечують дослідження різних форм коливань, в тому числі просторових. Характерною особливістю резонансних випробувань є можливість створення великих динамічних деформацій і переміщень в елементах конструкції.
При натурних вібраційних випробуваннях визначають наступні основні параметри: форму, частоту і декремент коливань конструкції. При дослідженні впливу вібрацій на міцнісні властивості матеріалів, елементів і сполук в якості вихідних параметрів динамічного навантаження використовують коефіцієнт асиметрії циклу, середнє і амплітудне значення циклу, виражене в термінах номінальних напруг або реальних з урахуванням їх концентрації.

а)

б)
Рис. 6. Віброграмми динамічних випробувань статично визначної балки на двох опорах

Поведінка конструкції характеризується великим числом форм коливань, тому що реальні системи мають нескінченно великим числом ступенів свободи. Однак практичне значення мають перші дві, три форми, що відповідають за своїми частотах характеристикам діючих навантажень. На малюнку 6 показані віброграмми, отримані в ході резонансних випробувань за допомогою вібромашини, встановленої в
чверті прольоту статично визначної балки на двох опорах. Різні форми коливань спостерігаються при збігу частоти коливань вимушених коливань з частотою власних коливань балки за відповідною формою. Для згинається шарнірно опертої балки відношення значень спектру частот відповідає показнику , Де - Номер форми.
Частота коливань пов'язана з періодом коливань залежністю:
(11)

де - Частота коливань в Гц;
Т - період коливань в сек.
У ході вібраційних випробувань вирішуються такі завдання:
- Визначення динамічного коефіцієнта для впливів з відомими динамічними характеристиками;
- Визначення стану несучих конструкцій експлуатованих будівель і споруд;
- Визначення пружних динамічних характеристик будівельних матеріалів;
- Неруйнівний контроль якості будівельних виробів;
- Визначення впливу циклічного завантаження на зниження міцності матеріалів і конструкцій (межа витривалості, малоциклового втома).
Випробування з визначення динамічного коефіцієнта сталих вимушених коливань проводяться у випадках, коли на конструкцію передбачається установка агрегатів, що створюють динамічні дії. У паспорті агрегату вказуються динамічні характеристики: маса, частотні характеристики та ін Для розрахунку динамічного коефіцієнта потрібно додатково визначити значення власних частот несучих елементів і відповідних частотам декрементів коливань. Розрахунок конструкцій на вібраційне навантаження проводиться з метою визначення величини динамічних переміщень і деформацій і подальшої перевірки дотримання умов нормальної експлуатації.
Динамічний коефіцієнт показує, у скільки разів динамічні переміщення і напруження в системі з одним ступенем свободи відрізняються від статичних переміщень і напруг, розрахованих на дію амплітудного значення динамічної сили. Коефіцієнт динамічності можна визначити за такою формулою:
(12)

де - Декремент власних коливань;
(13)

тут - Кругова частота вимушених коливань;
- Кругова частота власних коливань.
Для визначення коефіцієнта динамічності необхідно знайти за допомогою вібраційних випробувань частоту і декремент власних коливань. Слід зазначити, що значення декремента коливань залежить від частоти і амплітуди коливань. Тому, динамічні випробування, необхідно проводити в діапазоні резонансної частоти, коли частоти вимушених і власних коливань максимально близькі.
За результатами динамічних випробувань проводиться розрахунок динамічних напружень і переміщень конструкцій на дію вібраційного навантаження від встановленого обладнання. Якщо розраховані параметри перевищать допущені, необхідно передбачити заходи щодо підвищення динамічних параметрів конструкції.
Знизити рівень вібрації конструкції можна двома способами:
-Змінити параметри динамічного навантаження на конструкцію;
-Змінити параметри самої конструкції.
Для реалізації першого способу існують такі можливості:
-Зміна частоти динамічного навантаження;
-Зміна місця установки агрегату на конструкції (при вертикальній динамічному навантаженні рекомендується пересунути агрегат якомога ближче до опор плит перекриття, при горизонтальній - вздовж балок перекриття);
-Динамічна балансування обертових частин механізму зі зміщеним центром маси щодо осі обертання (виконується закріпленням додаткової маси на деталі, що обертається для повного або часткового погашення вібрації);
-Активна віброізоляція агрегату (зменшення динамічної складової впливу на перекриття).
Щоб реалізувати другий спосіб необхідно змінити параметри конструкції. Зміни проводяться з урахуванням впливу цих параметрів на частоту власних коливань і виведення системи з області резонансу при впливі гармонійної динамічного навантаження. Для реалізації цього способу існують такі можливості:
-Зміна конструктивної схеми конструкції: введення додаткових зв'язків; перегляд конструктивного рішення опорних вузлів; зменшення прольоту за допомогою установки додаткових опор та ін;
-Зміна жорсткості конструкції за рахунок зміни її поперечного перерізу;
-Пристрій постаменту під агрегат, який в залежності від необхідного зменшення або збільшення частоти може бути виконаний масивним без міцного зв'язку з конструкцією, легким і жорстким, міцно прикріпленою до перекриття;
-Установка різних амортизаційних пристроїв.
При розробці конструктивних рішень щодо зменшення вібраційних впливів необхідно враховувати, що зменшення частоти власних коливань конструкції завжди супроводжується збільшенням прогинів і напружень в ній, викликаних статичним навантаженням. У зв'язку з цим потрібно проведення додаткового статичного розрахунку.
Резонансні (вібраційні) випробування широко використовуються для оцінки стану окремих конструкцій (елементів конструкції) експлуатованих будівель і споруд. Цей метод контролю дозволяє встановлювати частоти для перших форм коливань конструкції і визначати відповідні декремент коливань. Ці параметри використовуються в якості показників ступеня пошкодження конструкцій. Це завдання особливо актуальне для будівель і споруд, схильних до сейсмічних навантажень.
Всесвітні дослідження в цій області показали, що динамічні параметри просторової конструкції будівлі або споруди дуже чутливі до пошкоджень, викликаним сейсмічної навантаженням. У випробуваннях, проведених на реальних об'єктах і великомасштабних моделях, були встановлені кількісні співвідношення між рівнем сейсмічного навантаження і динамічними параметрами конструкції, що отримала ушкодження, причому сейсмічне навантаження моделювалася вібраційним впливом.
У процесі відпрацювання методики було доведено, що характер пошкоджень при сейсмічному і вібраційному впливі ідентичний. Крім того, було встановлено, що переміщення і внутрішні зусилля в конструкції при збуреннях, що передаються через грунт і в разі порушення коливань у рівні перекриття, мають практично ідентичний кінцевий результат. З методичної точки зору ці результати є надзвичайно важливими, оскільки динамічне навантаження у рівні перекриття ефективніше і значно простіше здійсненне.
Динамічні випробування будівельних конструкцій в режимі власних або вимушених коливань є одним із складових елементів комплексного неруйнівного контролю якості готової продукції. Найбільш широке застосування отримали вібраційні випробування на підприємствах виготовляють збірний залізобетон. Випробування проводяться для контролю якості згинальних виробів, в тому числі і попередньо напружених.

4. ПРОВЕДЕННЯ ВИПРОБУВАННЯ
Випробування конструкції динамічним навантаженням є більш складним, ніж випробування статичним навантаженням. Ця складність полягає в тому, що випробувальна навантаження і випробувальні прилади, застосовувані для запису деформацій, являють собою в більшій своїй частині механізми, що приводяться в рух під час випробування. Причому потрібно, щоб вони працювали синхронно і чітко, як один загальний агрегат. Необхідно скласти докладний план проведення випробування, в якому треба передбачити всі деталі, що навіть мають другорядне значення.
Обробку результатів випробування бажано розділити на дві частини:
1) польову обробку результатів для оцінки правильності перебігу експерименту і для своєчасного усунення можливих неполадок;
2) камеральну обробку результатів випробування з обчисленням всіх намічених до визначення величин: амплітуд і частот коливань, прискорень, напруг, динамічних коефіцієнтів і т. п.
Розглянемо деякі випадки проведення випробувань споруд динамічним навантаженням.
Експериментальне визначення частоти вільних коливань конструкції
Визначення частоти вільних коливань має велике значення для правильної експлуатації досліджуваної конструкції. Знаючи частоту власних коливань конструкції, можна вирішити питання про допустимість встановлення на досліджуваному об'єкті будь-якого агрегату, що створює при його русі обурює навантаження з певною частотою, або ж з'ясувати, який агрегат з раніше встановлених створює резонанс, і знайти можливі шляхи ліквідації цього явище.
Визначення частоти вільних коливань конструкції або її елемента, можна здійснити двома способами.
Перший спосіб. Конструкція піддається окремому удару, який викличе її затухаючі (вільні) коливання, і на установленому заздалегідь вібрографи або осцилографі записати віброграмму. Маючи запис коливань і часу, можна підрахувати частоту коливань досліджуваної конструкції. При експерименті фотострічку приладу слід пускати з досить великою швидкістю і для підрахунку частоти коливань брати довгий ділянку запису, що забезпечить умови для найбільш точного визначення частоти.
При обробці віброграмми перші дві-три напівхвилі виключаються з розгляду, тому що на них відображається безпосередня дія удару. Визначення числа коливань рекомендується вести на решті частини віброграмми, де коливання мають більш сталий характер. Слід мати на увазі, що швидкість руху стрічки мінлива, тому необхідно стежити за показаннями отметчика часу.
Другий спосіб. На випробувальному елементі встановлюється вібромашина. Потім приводять її у дію, збільшуючи ступенями число оборотів. При кожному ступені оборотів, почекавши, поки коливання конструкції візьмуть стабільний характер, роблять необхідні записи самописними приладами (вібрографи, динамічним прогиноміром або осцилографом).
Коли частота вимушених коливань вібромашини збігається з частотою власних вільних коливань конструкції, утворюється резонанс, який різко виділиться на віброграмме збільшеними розмірами амплітуд. Корисно одночасно виміряти частоту обертання вібромашини за допомогою тахометра або частотоміра, що дасть можливість перевірити також правильність показань отметчика часу та більш впевнено обчислити частоту власних коливань.
4.2. Визначення динамічних коефіцієнтів
Динамічні коефіцієнти визначаються, як правило, для тих конструкцій, по яких переміщаються рухомі навантаження, наприклад поїзди, автомобілі, мостові крани і т. п. і необхідні для розрахунку подібних конструкцій. Зумовлені розрахунковим шляхом напруги та деформації від динамічних навантажень підсумовуються з напруженнями і деформаціями від статичних навантажень.
При проектуванні динамічний коефіцієнт визначають теоретично з низкою припущень або ж використовують динамічні коефіцієнти, отримані експериментально для аналогічних споруд, раніше побудованих. Для мостів такі визначення динамічних коефіцієнтів ведуться багато років і накопичено досить багатий досвідчений матеріал.
При експериментальному визначенні динамічного коефіцієнта його значення виводиться зі співвідношення
(14)
,
де - Максимальний прогин балочної конструкції при повільному проході навантаження (статичне завантаженість);
- Максимальний прогин при русі навантаження зі швидкістю, що викликає найбільші коливання конструкції (динамічне завантаження).
Такі два завантаження можна легко здійснити для навантажень, що рухаються по рейках (локомотиви, трамваї, підйомні крани і т. п.).
При експериментальному визначенні динамічного коефіцієнта для автодорожніх мостів, де повторити ідентичне завантажений майже не представляється можливим, рухливу навантаження пропускають по мосту не двічі, а один раз зі швидкістю, що викликає найбільші коливання конструкції, і записують віброграмму або осцилограму прогинів (рис. 7). Найбільша ордината дасть величину максимального динамічного проіба . Для отримання прогину від статичного навантаження необхідно на записаній кривої провести середню лінію, ділить навпіл розмах вібрацій; ця крива являє собою діаграму статичних прогинів, і її найбільша ордината приймається для визначення динамічного коефіцієнта.
Визначення напружень в елементах конструкції при дії динамічного навантаження
Напруження в елементі конструкції при дії динамічного навантаження складаються з напруги від статичного навантаження, включаючи власну вагу елемента, складеного з динамічним напругою викликаним вібрацією:

У цьому випадку враховуються тільки ті динамічні напруги, які мають однаковий знак з напругами від статичного навантаження. Наприклад, якщо розглядається згинається балка, то до напруг від статичного навантаження додаються напруги, що викликаються динамічним навантаженням, при деформації балки в бік статичного прогину.
Для визначення необхідно обчислити інерційну силу, що діє на досліджуваний елемент. Інерційна сила дорівнює масі, помноженої на прискорення:
.
Прискорення можна виміряти акселерометром чи отримати з віброграмми, користуючись формулою:
,
де - Період коливання;
- Найбільша амплітуда;
- Прискорення елемента конструкції. Звідси
Звідси
,
де - Частота коливань елемента.
У всіх точках, де потрібно визначити прискорення, треба встановити акселерометри, вібрографи, динамічні прогиноміри або прогиноміри з дротяними датчиками і записати віброграмми або осцилограми.
При дії на елемент осьової сили динамічна напруга
.
У випадку дії на балку на двох шарнірних опорах зосередженої сили , Прикладеної в середині прольоту, динамічна напруга дорівнює:
.
Якщо вібрує балка на двох шарнірних опорах під дією власної ваги і рівномірно розподіленого навантаження, то динамічний напругу можна обчислити за формулою:
.
де - Маса, що доводиться на одиницю довжини балки;
- Прискорення, визначене на середині прольоту балки.
При вібрації балки, що несе рівномірно розподілене навантаження і зосереджений вантаж посередині прольоту, динамічна напруга знайдеться за формулою
/
Коли вібруюча балка несе складну навантаження, що складається з ряду зосереджених сил і суцільних нерівномірних навантажень, теоретичне обчислення наведеної маси яких представляє деякі труднощі, рекомендується наступний прийом. Балка разом з припадає на неї навантаженням розбивається на ряд ділянок, у межах яких просто обчислити величини мас кожної ділянки. У центрах кожної ділянки встановлюються акселерометри, вібрографи або прогиноміри з петльовими тензорезисторами і записуються осцилограми або віброграмми, за якими визначаються прискорення . Перемноживши маси на відповідні прискорення, знаходять інерційні сили , Що діють в кожній ділянці балки. Знаючи величини інерційних сил і точки їх застосування, що приймаються в центрах окремих ділянок, можна обчислити згинальні моменти, що діють на балку, і визначити динамічну напругу в будь-якому перетині по її прольоту.
Визначення напружень в конструкції від динамічного навантаження можна також зробити за допомогою петльових тензорезисторів, наклеєних у тих місцях, де необхідно знайти ці напруги, і підсумувати їх з напругами від статичного навантаження. При такому визначенні напруг треба знати величину модуля пружності матеріалу конструкції.
Вібраційні коливання конструкції безперервно змінюють величину сумарного напруги. У більшості випадків знаки напруг залишаються постійними, так як напруги від статичного навантаження превалюють над напругами від динамічного навантаження. Проте можливі випадки, коли суми напружень від статичної та динамічної навантажень будуть переходити через нуль і напруги стануть знакозмінними. У тому й іншому випадках можливе виникнення втоми матеріалу, причому в другому випадку, коли є знакозмінні напруги, явище втоми проявляється більшою мірою, ніж у першому.
Для виникнення втоми матеріалу необхідна велика кількість циклів змін напруг, обчислювана сотнями тисяч і мільйонами.

4. ЛАБОРАТОРНА РОБОТА. "ДИНАМІЧНЕ ВИПРОБУВАННЯ СТАЛЕВИЙ БАЛКИ. ВИЗНАЧЕННЯ ПОХИБКИ РЕЗУЛЬТАТІВ ВИПРОБУВАНЬ"
4.1. Вібровимірювальних прилади
4.1.1. Відомості про теорію і класифікація приладів
Динамічні випробування будівельних конструкцій відрізняються від статичних тим, що величина і напрям навантаження не залишаються постійними на етапах завантаження, вони порівняно швидко змінюються в часі і викликають лінійні і кутові переміщення.
Параметрами лінійної вібрації є; переміщення, швидкість, прискорення і різкість (перша похідна від прискорення).
До параметрів кутовий вібрації відносяться: кут повороту, кутова швидкість, кутове прискорення, кутова різкість.
Параметрами обох видів вібрації служать: фаза, частота і коефіцієнт нелінійних спотворень. Для їх вимірювання необхідна зовнішня нерухома система координат, щодо якої кріпляться вібровимірювальних прилади, що фіксують абсолютні переміщення. Якщо створення такої системи важко, застосовують рухому систему відліку і віброперетворювачі інерційного дії. Основним елементом віброперетворювача є інерційна маса m, поєднана з корпусом приладу пружиною жорсткістю до і демпфуючим елементом з коефіцієнтом заспокоєння с (рис. 2). Корпус приладу робить коливання в разом з досліджуваної конструкцією. Маса переміщається щодо корпусу приладу на величину z, яка може бути записана на обертовому із заданою швидкістю барабані. Переміщення пружини - х. Отже, z = х + у.
Для визначення закономірностей руху системи запишемо диференціальне рівняння руху маси m за часом t:
(14)

(15)
Підставивши значення z, отримаємо
,
де крапки над літерами позначають диференціювання за часом.
Для аналізу роботи віброперетворювача введемо в рівняння (15) наступні позначення:
- Частота власних коливань системи;
- Коефіцієнт загасання.
(16)
Тоді .
Якщо в приладі немає демпфуючого елемента і частота власних коливань незначна , То . Нехтуючи довільними постійними, отримаємо , І показання приладу будуть відповідати дійсним переміщенням випробуваної конструкції. Такий прилад називається віброметри.
Інерційна маса (або сейсмомасса) при податливою пружині практично не змінює свого положення в просторі.
Якщо при низькій частоті власних коливань в прилад ввести добре гасить коливання демпфуючий елемент, то з рівняння (16), нехтуючи першим і третім доданками, отримаємо , Звідки . Такий прилад служить для визначення швидкості коливань і його називають віброметри швидкості (вібровелосіметром).
При відсутності демпфера і високий частоті коливань переміщення маси пропорційно прискоренню; і такий прилад є віброметри прискорення (віброакселерометром).
Вібровимірювальних прилади можна розділити на дві основні групи: контактні і дистанційні (рис.8). До контактним приладів відносяться механічні та оптичні прилади, що застосовуються найчастіше при огляді конструкцій для наближеного визначення параметрів коливань (амплітуд і частот). Аналогічно призначення та оптичних приладів. Більш точні вимірювання можуть бути отримані приладами з реєстрацією показань на спеціальній стрічці чи папері ручним вібрографи або вібрографи Гейгера.
Безперечними перевагами володіють дистанційно працюють віброперетворювачі, що встановлюються на випробуваної конструкції (первинні прилади), сигнал яких записується вторинними приладами, встановленими на певній відстані від випробуваної конструкції.
Процес вимірювання динамічних характеристик випробуваної конструкції зазвичай складається з наступних операцій:
-Перетворення вимірюваної величини в іншу фізичну величину більш зручну для вимірювання;
-Вимір вторинної фізичної величини;
-Реєстрація вимірювань;
-Обробка результатів вимірювань.

4.1.2. Характеристики використовуваних приладів
4.1.2.1. Вібромарка
Вібромарка інженера Р.І. Аронова (рис. 7) служить для вимірювання вібрації з постійною амплітудою. Принцип дії приладу заснований на оптичному ефекті людського ока, тобто на неподільності сприйнять явищ, які чергуються швидше 7 разів на 1 секунду. Отже, вібромарка застосовна при коливаннях з частотою 17 циклів у секунду з малою амплітудою або 8 циклів у секунду при більшій амплітуді, так як за меншої кількості коливань спостерігач не може надійно бачити фігуру виникає клину. Чим більше амплітуда вібрації, тим ближче до основи розташується вістря клина (рис. 9). Таким чином, вібромарка може бути протарірована як пристрій для вимірювання амплітуд.
Рис. 9. Загальний вигляд вібромаркі


Вібромарка викреслюється на папері у вигляді гострого кута з основою b = 5 ... 20 мм і L = 50 ... 200 мм і наклеюється на поверхню конструкції, розмах коливань якої потрібно визначити. Коливання відбуваються в напрямку стрілок (Мал. 10). Спостерігач може виміряти відстань l до перетину здвоєних трикутників, а потім визначити амплітуду коливань за формулою
(17)
.
Рис. 10. Показання вібромаркі розмаху коливання конструкції

l
b
L
Підпис: 2аПідпис: b


4.1.2.2. Ручний вібрографи
Для запису коливань високої частоти можуть з успіхом застосовуватися ручні вібрографи. Серед них знайшов велике поширення ручної вібрографи марки ВР-1, який при записі віброграмми утримується безпосередньо в руках експериментатора і не вимагає ніякої підставки.
Вібрографи (рис. 11) складається з корпусу 1, в який запресована трубка 2. Всередині трубки розташований стрижень 3 з виступаючим назовні наконечником 4. Верхній кінець стержня проходить в корпус і впирається своїм кінцем у важіль 5, зволікають донизу кінцем спіральної пружини 6, прикріпленою до повідця 7. Повідець може пересуватися уздовж трубки і закріплюватися в бажаному положенні двома гвинтами 8. Пересуваючи повідець донизу, можна збільшити тиск пружини на стрижень. Щоб тиск пружини не виштовхнуло стрижень вниз, у верхній його частині, під наконечником насаджена сферична шайбочка 9, що впирається у відповідне гніздо.
Рис. 11. Ручний вібрографи ВР-1
16
13
На вільному кінці важеля є вістря, яке проводить запис віброграмми шляхом дряпання воскового шару, що покриває паперову стрічку 10 шириною 24 мм.
На цій же стрічці поруч з віброграммой наконечник 11 (отметчика часу) робить відмітку часу у вигляді рисок, які наносяться з інтервалом в 1 секунду. Стрічкопротяжний механізм приводиться в дію часовий пружиною 12, що заводяться ключем 13.
Отметчика часу може працювати від власної батареї, що міститься у відсіку 14, або від зовнішнього джерела електричного струму, що включається до відповідне штепсельне гніздо. Реле отметчика часу, і приводний пристрій поміщені у відсіку 15. Ручка 16 для приведення вібрографи в дію розташована на кришці корпусу.
Загальні габарити приладу: 80 X 130X230 мм. Вага приладу з важільним пристосуванням дорівнює 1.7 кг. Амплітуди коливань від 0.05 до 1.5 мм записуються з шестиразовим збільшенням; амплітуди коливань від 1, 5 до 6 мм записуються у натуральну величину або з дворазовим збільшенням, для чого на кінець трубки надівається спеціальне важільні пристосування 17, що складається з шарнірного паралелограма, у верхній стрижень якого впирається наконечник 4.
Для запису амплітуд і марок часу слід наконечник 4 або важільні пристосування 17 призвести до зіткнення з вібруючим елементом конструкції, зорієнтувавши стрижень 3 по напрямку коливань досліджуваного елемента, і включити вібрографи, повернувши ручку 16. При самому сильному натягу пружини стрижень 3 з наконечником 4 може слідувати за елементом, що мають прискорення до 20 g.
Корпус приладу що відносяться до нього частинами утворює інертну масу, яка утримується руками експериментатора.
Ручний вібрографи записує віброграмму з амплітудами від 0,05 до 6 мм при частотах від 5 до 100 Гц.
Недоліком ручного вібрографи є порівняно невисока точність (до 8%), а так само обмежені параметри вимірюваних амплітуд і частот.
4.1.2.3.Светолучевой осцилограф
Светолучевой осцилограф призначений для візуального спостереження та синхронного запису на фотострічки функцій однієї або декількох (до 12) досліджуваних величин часу, званих осциллограмами. Це забезпечується набором гальванометрів з різними власними частотами і широким діапазоном швидкостей руху фотострічки.
Для запису швидко мінливих напружень або деформацій конструкції з успіхом застосовуються дротові тензорезистори із записом осцилограми (віброграмми) на осцилографі. Тензорезистори для динамічних випробувань застосовуються такі ж, як і для статичних, але зі значно підвищеним омічним опором до 500-1000 Ом, а іноді і до 2000 Ом.
При записі осцилограм доводиться підсилювати струм, що подається дротяними датчиками на осцилограф.
Взаємне розташування окремих частин установки показано на малюнку 12. Якщо джерелом живлення є змінний струм, то прилади з'єднуються в послідовності, показаній на малюнку: до містка Уїтстона 1 підключається підсилювач змінного струму 2, до підсилювача підключається випрямляч 3, а до останнього приєднується осцилограф 4. Підсилювач спільно з випрямлячем утворюють тензометричний підсилювач.
Осцилографи поділяються на інерційні (шлейфові) - для реєстрації частот до 1000 Гц і безінерційні (катодні) - для частот вище 1000 Гц. Найбільш поширені шлейфові осцилографи.
Шлейфові осцилографи (светолучевие). Основними частинами осцилографа є вимірювальний шлейф і пристрій для візуального спостереження і фотозаписи осцилограм.
Осцилографи можуть бути одношлейфних і многошлейфовимі.
Шлейф (вібратор) осцилографа (рис. 13) складається з магніту 1, виконаного у вигляді циліндричної підкови, між полюсами якого розташована вертикальна дротяна петля 2, що натягується спіральної пружиною 3. На петлі закріплено легке дзеркальце 4 розмірами 1,0 X1, 0x0, 05 мм. До кінців петлі приєднані дроти від петлевого тензорезисторів, наклеєного на досліджуваний об'єкт. Дзеркальце знаходиться в постійному магнітному полі, створюваному магнітом. При проходженні по петлі струму, що посилається тензорезисторів, навколо петлі створюється своє магнітне поле, яке набирає у взаємодію з полем магніту і що викликає закручування петлі, і поворот дзеркальця. Величина і напрям кута повороту дзеркальця залежать від сили та напряму струму, що проходить через петлю. На дзеркальце направляється промінь лампочки, пропущений через відповідні лінзи, і при повороті дзеркальця цей промінь відхиляється на кут, тим більший, чим більш сильний струм проходить через датчик і петлю. Промінь світла, що посилається дзеркальцем, направляється на рухому фотоплівку і записує на неї осцилограму.
Розглянемо оптичну схему восьмішлейфового універсального осцилографа типу Н 700 (рис. 14). Лампочка 1 випускає пучок світла, що проходить через конденсор 2 і діафрагму 3 у вигляді платівки з вісьмома вузькими вертикальними щілинами, що розбивають загальний світловий паралельний потік світла на вісім плоских пучків у вигляді світлових платівок.
У подальшому описі і на кресленні розглядається трансформація лише одного плоского пучка світла, так як всі інші сім пучків трансформуються аналогічно показаному на схемі.
Кожен плоский пучок світла потрапляє на своє вертикальне поворотне дзеркало 4. Ці дзеркала встановлені таким чином, що промінь світла, відбившись від дзеркала 5, а потім від дзеркала 8, потрапляє через лінзу шлейфу 7 на його дзеркало 6, укріплене на дротяної петлі; на два шлейфи, розташованих в середині, пучки світла проходять, минаючи дзеркала 8. Промінь світла, відбиваний від дзеркала 6, проходить знову через лінзу 7 і, відбиваючись від дзеркала 8, потрапляє частково на дзеркало 9 і частково на негативну сферичну лінзу 16. Частина світлового променя, що потрапив на дзеркало 9, відбивається від нього, а потім від дзеркала 10 і, пройшовши циліндричну лінзу 11, фокусується на фотострічку 12. Інша частина світлового променя проходить через негативну сферичну лінзу 16, циліндричну лінзу 15, відбивається від дзеркальних граней барабана, що обертається 14 і потрапляє на матовий скляний екран 13.
Для отримання масштабу часу на фотострічку, передбачений отметчика часу, що представляє собою мікрофонний зумер, рухома частина якого робить коливання певної частоти, записувані на тій же стрічці. Отметчика часу встановлюється замість одного з шлейфів в першому гнізді, в якому для цього передбачені відповідні контактні стрижні. Отметчика часу реєструє частоту 500 або 50 Гц з точністю до ± 1%.
За допомогою осцилографа можна записати:
- Фіброві деформації;
- Деформації при вигині (прогини);
- Прискорення і інші характеристики.
На одній стрічці можна виробляти одночасну запис декількох осцилограм, які вживаються з різних шлейфів. Швидкість руху стрічки можна регулювати від 1 до 5000 мм у секунду.
Тензометричний підсилювач призначений для підсилення сигналів від тензорезисторів, включених у бруківку схему (рис. 12). Частота вимірюваного процесу в 5 - 7 разів нижче та в межах 0 - 7000 Гц.
Підсилювач складається з автономного або вбудованого блоку живлення, декількох однотипних блоків, генератора несучої частоти, покажчика вихідного струму, тумблерів, ручок і шліців включення, налаштування, градуювання і балансування мосту. Виходи підсилювача розраховані на підключення гальванометрів (шлейфів) светолучевих осцилографів.
Принцип роботи підсилювачів полягає в тому, що робочий тензорезистор, наклеєний на конструкцію, підключається до приладу і попередньо балансується при ненавантаженому стані конструкції. Стрілка гальванометра встановлюється на нуль. При навантаженні конструкції внаслідок деформації тензорезистор змінює свій опір, відбувається розбаланс мосту і з'являється напруга несучої частоти, яке посилюється і подається на фазочувствительного детектор з фоном несучої частоти. Отриманий на виході сигнал пропорційний вимірюваної деформації. Цей сигнал подається на міліамперметр і гальванометр осцилографа. У кожному блоці підсилювача є перемикач для східчастого вимірювання коефіцієнта підсилення. підсилювача, крім гальванометрів светолучевих осцилографів, можуть бути підключені електронні осцилографи і магнітограф.

4.2. Цілі і завдання роботи
Метою роботи є знайомство з методикою визначення основних параметрів коливального процесу (частоти вимушених коливань, власна частота, явище резонансу).
Завдання здійснювані роботою:
1 Ознайомитись з пристроями для динамічних випробувань.
2 Ознайомитись з приладами для визначення динамічних характеристик.
3 Вивчити методику визначення динамічних напружень в несучих будівельних конструкціях.
4 Визначити теоретичним розрахунком власну частоту балки і порівняти її з результатами, отриманими з досвіду.
5 Визначити похибка експерименту.
6 Скласти висновок за результатами випробування.
ОБЛАДНАННЯ І ПРИЛАДИ
1Стенд для випробувань.
2Стальная шарнірно оперта балка рівного опору.
3Штучние вантажі.
4Вібромарка.
5Ізмерітельная консоль з тензорезисторами.
6Тензостанція.
7Осціллограф.
8Індікатор годинного типу (мессура).
9Частотомер.
10 Ручний вібрографи.
11 Лабораторний трансформатор.
12 Вібромашина.
13 штангельциркулем.
14 Металеві лінійки 1м (ГОСТ 427-56) і 0.5м (ГОСТ 427-75).
15 Калькулятор.

Техніка безпеки при виконанні лабораторної роботи
При проведенні лабораторної роботи потрібно суворо дотримуватися правил техніки безпеки з метою забезпечення повної безпеки учасників випробування і не допустити поломок обладнання.
Ці правила передбачають обов'язкове проведення заходів щодо забезпечення надійного заземлення корпусів всіх електричних приладів та інструментів.
Підготовка до лабораторної роботи проводиться відповідним персоналом, затвердженим наказом по університету.
При динамічних випробувань необхідно передбачити надійні страхувальні пристрої, що захищають конструкцію від втрати стійкості і раптового обвалення. Обертові частини вібромашини повинні бути закриті захисними кожухами, а до працюючої вібромашини забороняється наближатися на відстань менше 1.5 м.
Вимірювальні прилади закріплюють на випробуваної конструкції спеціальними струбцинами, хомутами та іншими пристосуваннями. Крім того, повинні бути забезпечені вільний доступ до приладів і хороша освітленість шкал для спостереження за їх роботою на безпечній відстані.
По закінченні підготовки до лабораторної роботи з випробуваної конструкції та з приміщення видаляються всі сторонні предмети.
Місце випробування огороджують. Сторонніх осіб до місця випробувань не допускають.
До лабораторної роботи допускаються студенти пройшли відповідний інструктаж з техніки безпеки. При інструктажі слід звернути особливу увагу на наступні положення:
- Не торкатися руками поверхонь верстатів, обладнання та проводів;
- Не натискати на кнопки і рубильники;
- Суворо дотримуватися встановленої міркуваннями достатньої безпеки дистанцію від випробувального стенду;
- Дотримуватися послідовність програми проведення випробування;
- Своєчасно виконувати вказівки викладача і співробітників лабораторії в процесі проведення роботи.
Для всіх учасників випробувань крім виконання правил з техніки безпеки необхідна підвищена особиста уважність і обережність, особливо на останніх етапах завантаження конструкції, коли змушені частоти коливань наближаються до власних частот.
Відповідальність за виконанням всіх заходів лежить на викладачі, які проводять лабораторну роботу.

Короткий виклад роботи
У роботі випробовується однопролетная сталева балка з вантажами G (Мал. 9).
G
G
P
a
a
l / 2
l / 2
l
h
x
Рис. 8. Випробувальна установка


Вібраційне навантаження створюється вібромашини, укріпленої в середині прольоту балки. Частоту коливань машини за допомогою лабораторного автотрансформатора можна змінювати довільно.
Для визначення власної частоти коливань використовується явище резонансу. Вібромашина послідовно підвищуються коливання балки з різною частотою (ступенями). При кожній частоті (ступені) вимірюється розмах коливань балки (за прогинами чи відносним деформацій). Найбільшого розмаху і буде відповідати власній частоті (резонансна частота). Для більш точного визначення власної частоти будуються графіки "розмах - частота".
Розмах коливань визначається за індикатором і шлейфових осцилографа. Індикатор ставиться поблизу опори, де розмах коливань невеликий, і діапазон коливань стрілки можна фіксувати візуально. При швидких коливаннях стрілки утворюється сектор, відповідний розмаху коливань.
Осцилограф використовується разом з вимірювальною консоллю з органічного скла (див. малюнок), на яку наклеєний тензорезистор . Вимірювальна консоль встановлюється в середньому перерізі балки. Коливання консолі викликають зміну опору тензорезистор і сили струму, що подається на гальванометр. Гальванометр коливається в магнітному полі разом з дзеркалом, яке відбиває промінь світла на рухому фотоплівку або фотопапір.
Частота коливань контролюється за допомогою диска з отворами, насадженого на вісь двигуна вібромашини, лампочки, фотоелемента та частотоміра.
Частота коливань контролюється за допомогою диска з отворами, насадженого на вісь двигуна вібромашини, лампочки, фотоелемента та частотоміра.
При обертанні диска промінь світла від лампочки періодично переривається. Переривчасті сигнали від фотоелемента посилюються і реєструються частотоміром. Перехід від показань частотоміра до частоти вимушених коливань робиться за формулою

де: - Число отворів в диску;
- Передавальне число (відношення числа обертів вала двигуна і дисків з ексцентриками).
Вимірювання заносяться в журнал випробування.

Таблиця
Журнал випробування

2 амплітуди
Частоти
сту-
пені
За індикатором
За осцилографу
За частотоміри

1
2
...
За результатами вимірювань будуються графіки, за якими визначається власна частота коливань балки.
j по осцилографу
Індикатор
j
А
j по індикатору
Осцилограф
Рис. . Графіки вимірювань для визначення резонансної частоти


Після визначення власної частоти проводиться контрольна запис коливань при резонансі ручним вібрографи Вр-1. На спеціальній стрічці викреслюється графік коливань, і одночасно робляться позначки часу (мал.).
Рис. . Графік коливань балки по вібрографи Вр-1
1 секунда


Теоретична частота обчислюється за формулою

де - Еквівалентна (приведена) навантаження на балку

- Вага вібромашини, рівний 10.8 кг;
- Погонний вага балки (приймається по сортаменту);
- Відносне відстань від опор до вантажів.

ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ
Рекомендується наступна послідовність.
Перша частина. "Тарування тензорезисторів":
в журналі замальовують схеми тарировочной балки, встановлення приладів, програми навантаження;
проводиться контроль правильності встановлення приладів;
знімаються початкові відліки з приладів;
прикладається навантаження;
знімаються відліки з приладів;
проводиться розвантаження із звіркою результатів;
Друга частина. "Визначення напруженого стану балки за допомогою тензорезисторів":
1. в журналі замальовують схеми вимірювальних приладів, їх установки, і розміщення;
2. розбивається задана навантаження на ступені;
3. проводяться виміри необхідних для розрахунків геометричних параметрів (висота і ширина перерізу балки, проліт, відстані від опор до зосереджених сил, бази тензорезисторів, відстані між ними);
4. проводиться контроль правильності встановлення приладів;
5. знімаються початкові відліки з приладів;
6. прикладається навантаження першого ступеня;
7. знімаються відліки з приладів;
8. прикладається навантаження другого ступеня;
9. знімаються відліки з приладів;
10. проводиться контроль процесу випробування;
11. прикладається наступна навантаження з відповідним контролем і т.д. до останнього ступеня;
12. проводиться розвантаження в зворотному порядку зі звіркою результатів;
13. проводиться камеральна обробка отриманих результатів по останньому щаблі;
14. пишеться висновок за результатами випробування.
Всі отримані результати акуратно заносяться у відповідні графи журналу (див. додаток Б). У висновку необхідно зробити висновок і обгрунтувати вийшла похибка.

ЗМІСТ ЗВІТУ

1. Кінематична схема вимірювальних приладів, їх коротка характеристика і призначення.
2. Схеми встановлення приладів (база виміру і ціна ділення).
3. Формули для обробки результатів вимірювань.
4. Схема градуювального пристрою.
5. Висновок за проведення експерименту.
КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ
1. З чого складається тензорезистор, принцип його роботи?
2. Накресліть схему для вимірювання показань тензорезистор.
3. Назвіть основні елементи гальванометра.
4. Навіщо потрібна тензостанцію?
5. Як визначити амплітуду коливань за допомогою індикатора годинникового типу?
6. Як визначити амплітуду коливань за допомогою шлейфові осцилографа?
7. Перерахувати чинники, що впливають на частоту власних коливань.
8. Як і чим визначається частота власних коливань конструкції?
9. При виконанні яких вимог, конструкція вважається придатної під динамічну навантаження?
10.У чому полягає принцип роботи вібромашини?
11.Нарісовать схему вібрографи з інерційною масою (інерційного маятника).
12.Нарісовать схему вібрографи Гейгера з інерційною масою.
13.З яких вузлів складається шлейфових осцилограф?
14.В яких випадках відчувають існуючі конструкції?
15.Як створюється ударне навантаження при випробуванні (2 способи)?
16.Як створюється вібраційне навантаження при випробуванні?
17.Какой діапазон частот найбільш шкідливий для людини?
18.Какие діапазон частот найбільш шкідливий для конструкції?
19.Как впливає амплітуда на самопочуття людини?
20.Что відбивається в ув'язненні за випробуванням динамічним навантаженням?
21.Перечісліть способи посилення конструкцій працюють на динамічне навантаження.
22.Прінціп "нарощування" для підсилення конструкцій.
23.Прінціп зміни конструктивної схеми конструкції при посиленні.
24.Прінціп зміни розрахункової схеми при посиленні конструкції.
25.Что таке резонанс і як його уникнути при установці на конструкцію обладнання з динамічним навантаженням?

ДОДАТОК
ОБСТЕЖЕННЯ, ВИПРОБУВАННЯ І
РЕКОНСТРУКЦІЯ У БУДІВНИЦТВІ
Лабораторна робота № 6
"Динамічні випробування балки.
Визначення похибки результатів ".
Підпис: ОБСТЕЖЕННЯ, ВИПРОБУВАННЯ І РЕКОНСТРУКЦІЯ У БУДІВНИЦТВІ Лабораторна робота № 6 "Динамічні випробування балки. Визначення похибки результатів".
ІТС
Кафедра "Будівельні
конструкції "
ЖУРНАЛ ВИПРОБУВАНЬ
ВИКОНАВ Іванов І.І.
ГРУПА 441.
Підпис: ІТС Кафедра "Будівельні конструкції" ЖУРНАЛ ВИПРОБУВАНЬ ВИКОНАВ Іванов І.І. ГРУПА 441.

ЗРАЗОК
1. Визначення власної частоти балки
1.1. Схема випробувальної установки
G
G
P
а
h
а
x
l
l = 3000 мм
a = 0
  h = 200 мм
Р = 11 кг
  G = 0
Підпис: l = 3000 мм a = 0 h = 200 мм Р = 11 кг G = 0
Схема осцилографа:
TR A
TR k
R 2
R 1

N
Підпис: N
N
Підпис: N

Схема індикатора (І):
Журнал випробування


2 амплітуди
Частоти
сту-
пені
І
(Розподілу)
Про
(Мм.)
Частотомір


1
1
2
200
5
2
2
3
300
7.5
3
10
4
400
10
4
8
7
500
12.5
5
75
18
550
13.8
6
90
24
600
15
7
50
7
700
17.5
8
33
4
800
20
9
10
Тут: n - число отворів в диску; m - передавальне число двигуна.

1.2. Визначення частоти вібрографи ВР-1
Підпис: 1.2. Визначення частоти вібрографи ВР-1

І ПРО
0 5 8 11 14 17 20 j
94
84
72
60
48
36
12
32
28
24
20
16
12
8
4
Схема ВР-1:

ВІБРОГРАММА

Розшифровка віброграмми

Підпис:
1.3. Теоретична частота


Підпис:
1.4. Напруження в середній частині балки

ВИСНОВОК: Результати випробування дозволяють судити про достовірність шуканих величин отриманих за допомогою випробування балки. Невелика розбіжність в цифрах (похибка) вийшло через недосвідченість випробувачів при знятті показань з приладів.
20 березня 2005р.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. Долідзе Д.Є. "Випробування конструкцій і споруд" - М.: Вища школа. 1975. - 252 с.
2. Лужина О.В., Злочевський А.Б. та ін "Обстеження та випробування споруд" - М.: Стройиздат. 1987. - 263 с.
3. Золотухін Ю.Д. "Випробування будівельних конструкцій" - Мінськ: Вища школа. 1983. - 208 с.
4. Поштовик Г.Я. та ін "Методи і засоби випробування будівельних конструкцій" - М.: Вища школа. 1973. - 158 с.
5. Шишкін І.Ф. "Метрологія, стандартизація та управління якістю" - М.: Изд-во Стандарт. 1990. - 341 с.
6. Землянський А.А. Обстеження і випробування будівель і споруд: Навчальний посібник. - М.: Изд-во АСВ, 2001. - 240 с.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Будівництво та архітектура | Методичка
217.7кб. | скачати


Схожі роботи:
Діагностика та випробування будівельних конструкцій
При мо здавальні випробування двигунів постійного струму Випробування електричної міцності ізоляції
Приймально-здавальні випробування двигунів постійного струму Випробування електричної міцності ізоляції
Синтез і побудова системи управління динамічними об`єктами
Використання керуючих конструкцій Опис основних керуючих конструкцій
Випробування електрообладнання
Випробування телескопа
Випробування теплообмінників
Випробування і здача судів 2
© Усі права захищені
написати до нас