Напряженное состояние служит критерием прочности, которое, однако, не может быть оценено прямыми методами. Как правило, напряженное состояние определяется через деформации или какие-либо сопутствующие изменению напряжения эффектами (изменение оптических или магнитных свойств, частотных характеристик и т.п.).
Тензометрирование является основным методом исследования прочности, деформативности, надежности конструкций и материалов.
Тензометрические исследования имеют большое значение вследствие усложнения форм и условий эксплуатации конструктивных элементов, поскольку при этом существенно снижаются точность и достоверность инженерных расчетов.
Тензометрические методы могут быть использованы для решения многих задач связанных с эксплуатацией инженерных конструкций, задач, решение которых аналитическими и численными методами невозможно.
1. Тензометрический метод исследования НДС натурных конструкций
1.1 Общие сведения
НДС определяется расчётными и экспериментальными методами в виде распределения напряжений, деформаций и перемещений в конструкции и является основанием для оценки статической прочности. При расчётах НДС определенным образом идеализируется расчётная схема. Различают общее и местное НДС. Общее НДС определяется в силовых элементах конструкции без учёта концентрации напряжений, вызванных местными конструктивнотехнологическими особенностями (отверстиями, выточками и пр.).
Местное НДС определяется вблизи концентратора напряжений с учётом вида концентратора и приложенной нагрузки. При расчётном методе исследования местного НДС вид нагрузки может быть определён из предшествующего расчёта общего НДС.
Изменение НДС конструкций может быть вызвано множеством причин: плохое качество строительных материалов, нарушения в проекте и в строительных работах, неравномерная осадка фундамента инженерного сооружения, просчеты в проектировании нагрузок и многие другие.
Рассмотрим тензометрический метод определения напряжённого состояния конструкций, основанный на измерении местных деформаций. Методы и средства тензометрии обеспечивают выявление причин разрушений по результатам исследования напряжённодеформированного состояния элементов конструкции, позволяют находить наиболее оптимальные и совершенные конструктивные решения, изучать влияние различных технологических факторов на прочность конструкций и т. п.
Исследования по совершенствованию методов стандартизации фитопрепаратов ...
... базой СНГ в сфере обращения лекарственных средств. Целью настоящих исследований является теоретическое и экспериментальное обоснование совершенствования методов стандартизации фитои гомеопатических препаратов и разработка моделей построения нормативных документов (стандартов качества) ...
Тензометрический метод объединяет большинство известных способов оценки напряженного состояния, однако чаще под тензометрией понимают совокупность прямых методов и средств измерения деформаций.
Для перехода к напряжениям используют специальные зависимости, связывающие напряжения и деформации в упругой и за пределами упругой работы материала.
Тензометрический метод базируется на определении напряжений и деформаций в наружных слоях детали с помощью тензодатчиков и регистрирующей аппаратуры.
Тензодатчик представляет собой резистор, сопротивление которого изменяется при деформации. Его приклеивают к поверхности тестируемой детали, так, чтобы он деформировался вместе с ней. Используются одиночные тензорезисторы или блоки тензорезисторов, соединённые по схеме моста или полумоста.
Регистрирующая аппаратура называется тензостанция. До 1980-х годов она представляла собой комплекс самописцев, регистрирующих значения сигналов датчиков на бумаге. Развитие компьютерной техники и аналого-цифрового преобразователя изменило облик этой аппаратуры. На настоящий момент стала возможна не только регистрация сигналов тензодатчиков, но и их компьютерный анализ в реальном времени и автоматическая выдача управляющих сигналов для изменения режима работы тестируемой конструкции.
1.2 Требования, предъявляемые к тензометрии
Инженерные конструкции работают в широком диапазоне температур, переменной влажности, при высоких давлениях, циклических и импульсных внешних воздействиях, в них имеются остаточные сварочные и технологические напряжения. По этим причинам к методам и средствам тензометрии при исследовании инженерных сооружений предъявляются следующие требования:
- широкий диапазон (1…100 000 е.о.д.) для измерения малых и больших (пластических) деформаций;
- обеспечение измерений на ограниченных участках в зонах концентрации напряжений при измерительной базе 0,5…5 мм, а также на элементах из макронеоднородных материалов при размерах базы свыше 50…100 мм;
- обеспечение необходимой точности и надежности измерений при статическом, циклическом и динамическом тензометрировании с частотами до нескольких десятков кГц;
- выполнение измерений в климатическом диапазоне температур;
- высокая стабильность, постоянство масштаба измерений и относительная независимость от внешних воздействий в течение длительного времени (месяцы и годы);
- возможность автоматической дистанционной регистрации деформации (до 100 м и более) во многих точках конструкции (1000 и более) и т.п.
Из известных методов и средств тензометрии перечисленным требованиям в наибольшей степени отвечает метод резистивной тензометрии, использующей в качестве первичных средств тензопреобразователи активного сопротивления или тензорезисторы.
1.3 Классификация тензометров
Для мониторинга динамики развития напряжений в конструкциях здания используются тензометрические датчики различных видов. Выбор тензодатчика определяется местом и способом установки, а также примерной нагрузкой на датчик.
Измерение сопротивления заземления
... тока с изолированной нейтралью показана на рис.21 В лабораторной работе для измерения сопротивления изоляции используется переносной мегомметр М1102. ... измерения из-за того, что сопротивление вспомогательных заземлителей значительно больше сопротивления испытуемого заземлителя. Рис.14. Схемы подключения приборов при измерении сопротивлениязаземлителя методом «трёх земель» Развернуть Все темы ...
По принципу действия тензометры делятся на механические, оптические, пневматические, струнные (акустические) и электрические.
При выборе тензодатчиков основное внимание уделяется точности измерений, устойчивости к химическому и физическому воздействию, сроку службы. К этим общим требованиям на нашем рынке на выбор еще влияют доступная цена, экономичность в процессе эксплуатации, работоспособность в различных природных условиях, при очень низкой или высокой температуре.
Для надежности и долгого срока службы многие тензодатчики имеют специальную защиту от грязи и влажности. Данные о защите тензодатчика от влияния внешних факторов используется рейтинг IP (Ingress protection rating), который обязательно прописывается в технической документации на тензодатчик.
Самыми востребованными тензодатчиками являются датчики с электронной системой для обработки сигнала. Принцип работы таких тензодатчиков заключается в том, что сила, воздействующая на конструкцию, вызывает деформацию упругой конструкции тензодатчика. Деформация вызывает сопротивление тензорезистора, которая отражается в выходном сигнале.
Струнные тензометрические датчики (изготавливаются из закаленного металла для надежности) — для контроля напряженно-деформированного состояния стальных и железобетонных несущих конструкций.
Закладные струнные тензометрические датчики — для контроля армирующих металлоконструкций непосредственно перед заливкой их бетоном для измерения деформаций в наиболее нагруженных по результатам расчетов конструктивных элементах зданий: фундаментной плите, стенах, колоннах и т.д.
Но наибольшее применение при тензометрировании натурных конструкций находят электрические тензометры сопротивления — тензорезисторы. Диэлектрическая подложка тензорезистора соединяется с чувствительной решёткой и исследуемой конструкцией связующим материалом. Принцип действия тензорезисторов основан на изменении электрического сопротивления чувствительной решётки при ее деформировании вместе с конструкцией. Изменение деформации конструкции (ε) определяется по формуле
(ε) = (∆)R/kR,
где (∆)R — изменение номинального сопротивления R, k — коэффициент чувствительности.
Используют следующие виды тензорезисторов: проводниковый и полупроводниковый, у которых чувствительные элементы выполнены соответственно из металлической проволоки или фольги и из полупроводникового материала; термо- и тензорезистор, содержащий термо- и тензочувствительные элементы и тензорезисторную розетку, у которой на общей подложке устанавливается несколько чувствительных элементов с главными осями, ориентированными под определёнными углами друг к другу. Выпускаются тензорезисторы для криогенных (ниже —150(°)С), нормальных (20(±)15(°)С), повышенных (до 300(°)С) и высоких (до 600(°)С) температур, что позволяет осуществлять тензометрирование при нестационарных тепловых процессах. Температурные приращения сопротивления в рабочем диапазоне температур учитываются путём применения различных схем компенсации или внесением соответствующих поправок при обработке результатов. Тензорезистор является составной частью информационно-измерительной системы для тензометрирования конструкций и представляет собой комплекс технических средств, обеспечивающих получение информации о тепловом, деформированном и напряжённом состояниях. В такой комплекс для тензометрирования натурной конструкции входят тензорезисторы, измерительные коммутаторы и устройства, пульты оператора, аппаратура связи, ЭВМ, средства оперативного представления и оформления информации.
Энергоэффективные материалы ограждающих конструкций
... политики в области строительства. В энергосбережении большое значение отводится повышению теплозащиты ограждающих конструкций зданий. В процессе строительства, эксплуатации и ремонта зданий и сооружений ... строительные изделия и конструкции, из которых они возводятся, подвергаются различным физико-механическим, физическим и ...
1.4 Методика тензометрии
Принцип действия основан на свойстве электропроводящих материалов изменять свое электрическое сопротивление под действием приложенной к ним силы.
Рис. 1
Проволочные тензорезисторы представляют собой отрезок специальной проволоки, концы которой жестко приклеиваются к обследуемой конструкции. В результате деформации конструкии проволока подвергается растяжению и сжатию. Следовательно, изменяется ее длина, поперечное сечение и удельное сопротивление, а значит, и электрическое сопротивление. Большое значение для чувствительности тензорезистора имеет качество подложки (основы) и клея.
Наибольшее распространение получили проволочные тензорезисторы – фольговые и полупроводниковые. Станция состоит из комплекта наклеиваемых на конструкцию тензодатчиков и усилителя постоянного тока. Тензодатчики выполняют в виде спирали (решетки), состоящей из ряда петель константановой проволоки, наклеенной на основу. Тензосопротивления являются преобразователями, которые включаются по схеме полумоста или полного моста, в диагональ которого подключается измерительное устройство, являющееся также и индикатором баланса.
Для перехода к напряжениям используют специальные зависимости, связывающие напряжения и деформации в упругой и за пределами упругой работы материала, основанные на законе Гука.
2. Примеры реализации метода
В качестве примера рассмотрим использование тензометрического метода для проведения натурных испытаний механизированного аттракциона «Катальная гора». В ряде элементов металлических конструкций аттракциона после девятилетней эксплуатации образовались поверхностные и сквозные трещины.
Конструкция аттракциона высотой 15 м и длиной трассы 200 м, представляет собой путь, выполненный из стальных труб диаметром 83 мм, толщиной 8 мм (материал – Сталь 20).
Для создания психоэмоциональных ощущений путь расположен на свободно стоящих разновысоких опорах с виражами и участком с так называемой «мертвой петлей». Крепление пути к опорам осуществляется с помощью приваренных фасонок толщиной 6 мм (рис.2).
В штатном режиме по пути аттракциона движется поезд, состоящий из девяти тележек с двумя пассажирами в каждой. Скорость поезда достигает 40 км/ч, перегрузки 4,5g. Наибольшее количество трещин имеет место в зонах концентрации напряжений узлов сопряжения пути с опорами, на границе сварного шва и основного металла трубы пути.
Причины образования трещин в зонах концентрации напряжений при динамическом нагружении определялись с помощью тензометрического метода. Для измерения деформаций использовали проволочные тензорезисторы на бумажной основе с базой 5 мм и сопротивлением 100 Ом. Регистрацию деформаций тензорезисторов осуществляли самописцем Н-338П с частотным диапазоном 0…150 Гц, чувствительностью 0,5…0,002 мм/В, скоростью движения ленты от 1 мм до 250 мм/с, нелинейностью амплитудной характеристики +3%.
В качестве тензометрического усилителя использовали четырехканальный усилитель ТА-5 с максимальным значением коэффициента преобразования 0,12 мА/е.о.д., несущей частотой 7 Гц и диапазоном рабочих частот 0…100 Гц.
Сварочное напряжение и деформация
... предотвращению и снижению сварочных напряжений и деформаций. Высокая концентрация теплоты способствует сужению зоны, подвергающейся пластическим деформациям, и уменьшению деформаций конструкций. С этой точки ... положения кристаллизации сварного шва Сварной шов формируется путем кристаллизации расплавленного металла сварочной ванны. Кристаллизацией называется процесс образования зерен (кристаллитов) ...
Тензорезисторы при измерении деформаций включали по полумостовой схеме с обязательной градуировкой измерительного канала.
Испытание элементов конструкций аттракциона проводили при штатном загружении поезда. Характерные виброграммы деформаций (напряжений) в исследованных зонах имеют вид, показанный на рис.3.
Рис.2
Рис.3
Масштабы напряжений на виброграммах определяли по масштабам деформаций с использованием закона Гука. Экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния материала конструкции аттракциона показали, что во многих его элементах имеют место существенные значения напряжений и размахов напряжений при проезде поезда (smax= 125…140 МПа, Dsmax= 160…250 МПа, при пределе выносливости материала s-1 = 170 МПа) многие узлы работают в условиях переменных, двухчастотных циклических нагрузок c соотношением частот fв/fн = 9 (fв – частота, соответствующая количеству тележек поезда, fн – частота проездов поезда по трассе аттракциона) и отношением амплитуд напряжений s вa /sнa = 0,27…2,3 (sвa – амплитуда высокочастотных напряжений, sнa – амплитуда низкочастотных напряжений).
Коэффициент асимметрии циклов изменяется от r = -0,15 до r = -1,0.
В результате экспериментальных исследований установлено также, что напряженнодеформированное состояние в элементах конструкции существенно зависит от условий опирания стоек аттракциона на землю (просадка грунта, разрушение деревянных подкладок под опорами).
Учитывая число циклов нагружения элементов аттракционов при двухчастотном нагружении N = 1,5?10 6 циклов и экспериментально установленные значения переменных напряжений в узлах конструкции, очевидно, что в них имеют место усталостные накопления повреждений, приводящие к возникновению сквозных и поверхностных трещин. Следует отметить, что численными методами расчета узлов опирания пути на стойки (расчет выполнялся по программе MSC/NASTRAN при размере конечного элемента в зоне концентратора 1 мм) таких результатов получить не удалось, максимальные расчетные напряжения цикла не превышали уровня smax= 50…60 МПа. Расчетный цикл при этом получился одночастотным.
Полученные экспериментальные результаты позволили внести изменения в конструктивные элементы аттракциона «Катальная гора» и снизить максимальные динамические напряжения до уровня расчетных. Кроме того, определены наиболее опасные участки конструкции, за которыми установлен более тщательный контроль.
Заключение
Полученные при контроле состояния инженерных сооружений данные позволяют отслеживать в режиме реального времени динамику изменения напряжений в конструктивных элементах сооружений во время строительства или эксплуатации зданий, предотвратить несчастные случаи из-за нарушения целостности конструкции, оценить работу несущих конструкций в целом.
Данный метод является одним из самых перспенктивных и заключается в замерах малых деформаций на поверхности исследуемого объекта и в последующем переходе от деформаций к напряжениям на основе закона Гука. Главным преимуществом метода тензометрии является то, что можно замерять напряжения без механического воздействия на объект. Тензометр измеряет истинные напряжения: остаточные или действующие. При измерениях нет необходимости знать предисторию (условия эксплуатации) объекта, не требуется знания параметра кристаллической решетки материала в ненапряженном состоянии.
«Обследование строительных конструкций зданий и сооружений. Учет ...
... имеющихся дефектов и повреждений. Поверочный расчет зданий и сооружений, или отдельных строительных конструкций производится на основе методов строительной механики с использованием специализированных компьютерных ... возможность дальнейшей эксплуатации здания и выработать мероприятия по усилению конструкций); вы заметили нарастание деформаций здания (как правило, это раскрытие трещин в стенах) ...
Но у этого метода, как и у любого, есть свои недостатки, именно возможен контроль только поверхностных напряжений до глубин порядка нескольких миллиметров, большая трудоемкость, невозможность применять на различных объектах без повторения подготовительных операций, сложность (иногда даже невозможность определения НДС без повреждения конструкции) использования в зонах концентрации напряжений (под головкой болта, заклепки и т.д.), осреднение деформаций на базе тензорезистора и т.п. Т.е. метод тензометрии для сборных несущих конструкций обладает недостаточной точностью, в случае ошибочного расположения тензорезистора и, особенно, при определении нагруженности крепежа для последующего использования при оценке циклической долговечности опытного образца.
Список источников
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/tenzometricheskiy-preobrazovatel/
