Методика проведения экспериментальных исследований

Для проведения экспериментальных исследований была разработана испытательная установка на основе стенда, описанного в работе А.А. Крючкова [66]. Основными факторами выбора данной установки явились:

- высокая жёсткость данной установки (общая деформация всей установки в 140 раз меньше, чем испытуемого железобетонного образца);

- простота её изготовления;

- удобство доступа к испытуемому образцу;

- возможность применения данной установки в других экспериментальных исследованиях;

- отсутствие потребности в силовых полах.

Как видно из рисунка 3.4, испытательная установка состоит из двух коробчатых опор, на которые установлено основание 1. Основание 1 представляет собой два двутавра №30Ш1, соединенных между собой сваркой. На основании 1 размещены две шарнирные опоры 2 с расстоянием между центрами опор 1100 мм, на которые устанавливается испытываемая балка 5. Между шарнирной опорой 2 и балкой 5, располагаются опорные плиты 4, выполненные из стального листа толщиной 10 мм. Данные плиты 4 закрепляются к балкам посредством цементно­песчаного раствора, что позволяет избежать локального разрушения бетона на опорах. Сверху на испытуемую балку устанавливается блок, состоящий из распределительных траверс 8 и гидравлических цилиндров 7, которые передают усилие на балку через катки 6. Гидравлические цилиндры 7 выполняют роль силового агрегата, и могут развивать усилие равное 160 кН каждый. После монтажа указанного нагрузочного оборудования последними устанавливаются тяжи 3, передающие усилие от гидродомкратов через верхние траверсы 9 к основанию 1 посредством нижних траверс 10.

1 - основание из двух двутавров №30Ш1; 2 - шарнирная опора; 3 -тяжи 0 26 мм;

4 - опорные пластины; 5 - испытуемый образец; 6 - катки с распределительными плитами;

7 - гидравлические цилиндры; 8 - распределительные траверсы швеллер №12;

9,10 - верхние и нижние траверсы швеллер № 6,5; 11 - опора основания

Рисунок 3.4 - Схема испытательной установки

Для задания перемещения поршней гидроцилиндров использовалась масляная станция с ручным приводом.

105 скорректировать расположение всей навески на начальных этапах нагружения, для центрального приложения нагрузки.

Схема приложения нагрузки на испытываемую балку приведена на рисунке

3.5.

Рисунок 3.5 - Схема приложения нагрузки

Для измерения продольных деформаций бетона сжатой и растянутой зоны были применены индикаторы часового типа с ценой деления 0,001 мм при базе измерения 200 мм. Приборы устанавливались в специальные держатели, закрепленные на боковых гранях с помощью клея на основе цианоакрилата. Общий вид оснастки приведен на рисунке 3.6.

1 - Г-образный держатель; 2 - упор; 3 - фиксирующий винт; 4 - игла;

5 - упор индикатора; 6 - шток индикатора; 7 - индикатор.

Рисунок 3.6 - Оснастка индикатора для измерения продольных деформаций

Вместе с индикаторами часового типа для определения продольных

деформаций бетона использовались тензорезисторы с базой измерения 120 мм и сопротивлением 120 Ом. Они дублировали индикаторы, а также устанавливались в верхнем и нижнем фибровых волокнах. Применение тензорезисторов с такой базой в растянутой зоне позволяет достаточно точно определить момент появления первой трещины.

1- центральная ось пролета балки; 2- продольная ось тензорезистора;

3- тензорезисторы; 4- исследуемая балка.

Рисунок 3.7 - Схема расположения тензорезисторов

Для опроса тензорезисторов, участвующих в эксперименте был применён универсальный многоканальный измеритель-регистратор «ТЕРЕМ 4.1». Технические характеристики приведены в таблице 3.1. Для подключения тензорезисторов использовалась полумостовая схема подключения, приведенная на рисунке 3.8. При применении такой схемы используются два датчика - активный и компенсационный, наклеиваемые, соответственно, на испытываемый образец и образец, выполненный из того же материала и находящийся в тех же условиях. Полумостовая схема подключения тензорезисторов позволяет исключить температурные погрешности от нагрева конструкции и соединительных проводов, но требует дополнительной калибровки канала измерений из-за температурного изменения сопротивления соединительных линий цепи питания датчиков. Для данной калибровки в адаптерах регистратора «ТЕРЕМ 4.1», предусмотрены специальные реостаты.

Таблица 3.1 - Технические характеристики универсального многоканального измерителя- регистратора «ТЕРЕМ 4.1».

Рисунок 3.8 - Схема подключения тензорезисторов

Для определения прогибов использовался многооборотный прогибомер типа 6-ПАО (прогибомер Аистова) с ценой деления 0,01 мм.

Для устранения влияния перемещений опор на значения прогибов на опорных участках были установлены индикаторы часового типа с ценой деления 0,01 мм.

Для контроля за шириной раскрытия трещин использовался лабораторный микроскоп МПБ-100. Полная схема расположения всех измерительных приборов приведена на рисунке 3.9.

ИВ1, ИВ2- индикаторы часового типа с ценой деления 0,001 мм;

П1- прогибомер типа 6-ПАО (прогибомер Аистова); ИО1, ИО2- индикаторы часового типа с ценой деления 0,001 мм; Т1, Т2, Т3,Т4- тензорезисторы.

Рисунок 3.9 - Схема расположения приборов

Экспериментальные исследования были разбиты на несколько этапов.

Первый этап заключался в исследовании контрольных образцов. Контрольные испытания прочности образцов бетона на сжатие проводились в соответствии с ГОСТ 10180 [28]при помощи гидравлического пресса марки WEW 600D со средней скоростью нарастания нагрузки 6 кН/с. Образцы бетона до и после испытания показаны на рисунках 3.10 и 3.11. Результаты испытаний после статистической и аналитической обработки представлены в таблице 3.2.

Рисунок 3.10 - Образцы бетона до (1) и после (2) испытания

Рисунок 3.11 - Испытание призм 100х100х400 мм

В основе определения прочностных и деформативных характеристик арматуры лежит методика, изложенная в нормах [29]. Образцы арматуры, подлежащие испытанию, заранее размечались по всей длине керном на интервалы, равные 10 мм (рисунок 3.12, а).

Рисунок 3.12 - Арматура с нанесёнными рисками:

а - арматура А500С до разрушения; б - арматура А500С после разрыва

Во время испытания опытных образцов арматуры фиксировались следующие характеристики арматурной стали: σ_el- предел упругости арматуры, МПа; σ_y- предел текучести арматуры, МПа; σ_Μ- временное сопротивление арматурной стали, МПа; δ ₂₀₀- величина относительного удлинения на базе измерения 200 мм, %. Все характеристики приведены в таблице 3.3.

Таблица 3.2 - Характеристики бетона

111

Рисунок 3.13 - Разрывная машина с установленной арматурой А500С:

1 - разрывная машина WEW 600D; 2 - экстензометр YYU-10/50; 3-зажимные губки;

4- оснастка для базы измерения 200 мм

Таблица 3.3 - Характеристики арматуры

Диаграммы σ-ε для арматурных сталей А500С и А400 приведены, соответственно, на рисунках 3.14 и 3.15.

Рисунок 3.14 - Диаграммы состояния арматуры А500С диаметром 12 мм

Рисунок 3.15 - Диаграмма состояния арматуры А400 диаметром 8 мм.

Для учета влияния сварки на характеристики арматуры были проведены дополнительные испытания на разрывной машине «чистых» арматурных стержней и стержней с приваренными к ним «коротышами» из той же арматуры, что и хомуты (рисунок 3.16). Диаграмма σ-ε для стержней, ослабленных сваркой, приведена на рисунке 3.17. Как видно из рисунка 3.19, разрыв арматуры происходит вне точки приварки. Временное сопротивление для стержней со сваркой составило 668,39 МПа, без сварки 668,56. Основываясь на всем выше сказанном, можно сделать вывод о том, что в данном случае влияние сварки на прочностные и деформативные характеристики арматуры можно не учитывать.

Рисунок 3.16 - Испытание арматурных стержней с приваренной поперечной арматурой

Рисунок 3.17 - Усредненная диаграмма σ-ε арматуры А500с диаметром 12 мм с приваренными коротышами

Второй этап заключался в подготовке экспериментальных образцов к испытанию. Для этого все образцы одной партии осматривались на наличие неровностей и сколов. После визуального осмотра выполнялись измерения фактических размеров испытываемых образцов. Все размеры приведены в таблице 3.4.

После измерений все балки были взвешены на электронных весах. Вес балок учитывался в дальнейшем при расчете нагрузки.

Далее к нижним приопорным участкам экспериментальных балок посредством цементно-песчаного раствора прикреплялись стальные пластины размером 10х120х100 мм. После этого исследуемая балка устанавливалась на испытательный стенд, где происходила разметка и последующая установка измерительных приборов. В размеченных местах приклеивались тензорезисторы. Рядом с тензорезисторами устанавливались текстолитовые соединительные колодки, к которым припаивались выводы тензодатчиков и соединительные провода. После установки оснастки и тензорезисторов на исследуемую балку наносилась побелка, которая позволяла более точно зафиксировать появление трещин и дальнейший их рост по мере увеличения нагрузки. Далее на балку устанавливалась навеска испытательной установки: катки, траверсы,

гидродомкраты и тяжи. Последними устанавливались индикаторы часового типа и прогибомер. Провода от тензорезисторов имели одинаковую длину и прокладывались так, чтобы не мешать снимать показания приборов. Все провода сводятся в адаптеры измерительного прибора «ТЕРЕМ 4.1», после чего происходит балансировка полумостовой схемы подключения посредством реостатов адаптеров. На этом подготовка исследуемой балки прекращается. Исследуемая балка, готовая к испытанию, приведена на рисунке 3.18.

Рисунок 3.18 - Общий вид испытания

Таблица 3.4 - Фактические размеры экспериментальных образцов

116

Третий этап экспериментальных исследований можно разделить на две стадии:

- испытание балки до появления первой трещины;

- испытание балки с трещинами.

На первой стадии шаг величины нагрузки до появления первой трещины составлял около 5% от предполагаемой разрушающей. Такой шаг был принят для более точного определения момента трещинообразования. Для второй стадии шаг нагрузки увеличивался до 10% от предполагаемой разрушающей. Испытание всех балок происходило в 12- 14 этапов. На каждом этапе приложения нагрузки, происходила выдержка 10-12 минут, после чего нагрузка увеличивалась. В начале и в конце каждого этапа производились измерения по всем индикаторам, включая прогибомер, выполнялся опрос тензорезисторов, фиксировалось появление новых трещин, их высота и ширина раскрытия предполагаемой трещины, по которой произойдет разрушение, на уровне растянутой арматуры. Для определения характера развития трещин, рядом с трещиной, на поверхности бетона наносились линии, дублирующие форму трещины, с указанием этапов её появления. Для определения более точной ширины раскрытия трещины, а также для удобства последующей обработки результатов, наряду с микроскопом МПБ-100 применялась также и фотоаппаратура (рисунок 3.19).

Рисунок 3.19 - Определение ширины раскрытия трещины

По достижению величины нагрузки, близкой к расчетной разрушающей, процесс нагружения контролировался видеоаппаратурой. Это позволило точно определить разрушающую нагрузку и значения прогиба на стадии разрушения. Также следует отметить, что при нагрузке равной приблизительно 80-85% от разрушающей, все индикаторы часового типа, кроме опорных и прогибомера, демонтировались с испытываемой балки. Это было необходимо для обеспечения сохранности приборов.

После разрушения исследуемой балки выполнялись следующие мероприятия:

- визуальный осмотр, с целью выявления сколов и локальных разрушений;

- устанавливался характер разрушения балки;

- фиксировались трещины, по которым произошло разрушение;

- производился демонтаж всех оставшихся приборов.

По окончанию испытания исследуемая балка демонтировалась, и происходило испытание следующей балки с сохранением той же операционной последовательности.

3.4