Ультразвковой импульсный метод

Вопрос 1. Экспериментальные методы в строительстве; задачи, организация решения; примеры.

Методы испытания конструкций

Выделяют несколько методов испытаний строительных конструкций. Испытания конструкций можно разделить по назначению, характеру внешних воздействий, видам испытаний и теоретической схеме. Рассмотрим каждый из методов более подробно.

 

По назначению испытания конструкций подразделяются на:

1. испытания вновь построенных сооружений или изготовленных конструкций с целью проверки их соответствия проектным и нормативным требованиям в отношении несущей способности, жесткости, трещиностойкости и возможности приемки в эксплуатацию;

2. испытания эксплуатируемых сооружений с целью выявления фактической несущей способности, жесткости и трещиностойкости для заключения о работоспособности или в связи с усилением;

3. испытания строительных конструкций, связанные с научными исследованиями, которые являются, как правило, составной частью экспериментально-теоретических исследований;

4. испытания опытных строительных конструкций перед внедрением их в массовое производство;

5. испытания периодически отбираемых образцов конструкций, которые выпускаются на заводах в больших количествах, с целью проверки качества применяемых материалов и выполнения правил по изготовлению конструкций.

Имеются следующие виды испытаний конструкций:

1. натурные испытания (выполняются в процессе строительства, после возведения и во время эксплуатации);

2. испытания моделей. Этот вид занимает важное место при создании новых конструкций и сооружений;

3. лабораторные испытания образцов материалов.

По теоретической схеме испытание конструкций можно подразделить на:

1. линейные (растяжение, сжатие);

2. плоские (изгиб);

3. пространственные.

По характеру внешних воздействий испытания строительных конструкций различаются на:

1. испытания статической нагрузкой;

2. испытания динамической нагрузкой.

В первом случае конструкции загружаются неподвижными нагрузками в определенном порядке с нарастающим увеличением этих нагрузок.

Динамические испытания проводят при переменных или пульсирующих (вибрационных) нагрузках, создаваемых с помощью специальных вибромашин, перемещающихся грузов или ударных нагрузок.

 

При испытании строительных конструкций могут быть поставлены следующие задачи:

1. определение несущей способности конструкции;

2. определение напряженного состояния;

3. определение действительных деформаций;

4. изучение работы новой конструкции;

5. установление влияния дефектов и отступлений от проекта на действительную работу сооружения;

6. изучение работы существующей конструкции с целью выявления объемов усиления при реконструкции или ремонте;

7. разработка методов расчета;

8. установление расчетной схемы или скрытых резервов прочности.

 

Организация проведения испытаний конструкций.

Выполнение экспериментальных работ обычно поручается специальным лабораториям и станциям. Лишь несложные испытания выполняются силами строительных, эксплуатирующих или изготовляющих организаций. Испытаниями руководит подготовленный работник. Цели и задачи излагаются в техническом задании на проведение экспериментальных работ. В нем же указывается, сколько и каких конструкций испытывается, на что следует обратить особое внимание.

 

В состав подготовительных работ испытаний конструкций входят:

1. отбор испытываемых конструкций и образцов при проведении технического обследования;

2. изучение технической документации;

3. освидетельствование конструкции перед испытаниями;

4. составление рабочей программы и проекта испытаний;

5. подготовка испытываемой конструкции, оборудования и приборов.

Вопрос 2. Испытания по определению усилия натяжения арматуры

 

Величину натяжения арматуры можно контролировать двумя способами: электрическим и механическим (табл. 15). Механи­ческий способ дает возможность определить степень натяжения арматуры по усилию в натяжном механизме и по деформации арматурного элемента. При электрическом способе величина на­тяжения может быть определена по изменению активного со­противления проволочных датчиков, наклеенных на арматурный элемент, и по частоте свободных колебаний арматурного эле­мента.

Возможность и целесообразность применения того или иного способов контроля, обуславливается видом армирования, спосо­бом натяжения арматуры, типом натяжных устройств и приспо­соблений. Более высокую степень точности определения напря­жений дает электрический способ контроля натяжения армату­ры, который, кроме того, автоматизирует этот довольно слож­ный и трудоемкий процесс.

Рекомендуется дублировать измерение усилий двумя спосо­бами: например, по показаниям манометра и по удлинению ар­матуры. При этом результаты измерений не должны отличаться более чем на 5°/о

 

Способы контроля натяжения арматуры

Способ контроля

Механический:

· 1)По усилию в натяж­ном механизме

Вид арматуры: Стержневая, проволоч­ная, пряли, пучки

Измерительный прибор:Манометр, динамометр гидравлический и пру­жинный

· 2)По деформации арма­турного элемента: удлинение

Вид арматуры: Стержневая, проволоч­ная, пряли, пучки

Измерительный прибор:Мерная линейка, инди­каторный тензометр

· 3) Прогиб

Вид арматуры: Стержневая, проволоч­ная

Измерительный прибор:Проволочный динамо­метр (ДП-2 и др.), при­бор ЦНИЛ-МЗО и др.

· 4) По «астоте свободных колебаний арматурного элемента

Вид арматуры: Стержневая,ПроволочНая

Измерительный прибор:Резонансный индика­тор напряжения

Электрический:

· 1)По активному сопро­тивлению проволочного датчика

Стержневая

Электротензометри - ческая установка

· 2) По частоте свободных колебаний арматурного элемента

Стержневая,проволочная

Электронный прибор, ИНА-3 и др.

 

 

Планирование эксперимента, факторы и отклики, выбор интервалов измерения факторов

Планирование эксперимента - это процедура выбора числа и условий проведения опытов, необходимых и достаточных для решения поставленной задачи с требуемой точностью. Таким образом цель планирования эксперимента - это нахождение таких условий и правил проведения опытов, при которых удается получить надежную и достоверную информацию об объекте с наименьшей затратой труда, а также представить эту информацию в компактной и удобной форме с количественной оценкой точности.

Для определения понятия объекта исследовании удобно использовать понятие так называемого «черного ящика» (рис. 1)

Рис.1. Схема «черного ящика»

Стрелки справа изображают интересующие нас свойства объекта (У) называемые откликами. Для проведения эксперимента необходимо иметь возможность воздействовать на поведение «черного ящика». Все способы такого воздействия обозначаются (X) и называются факторами.

Пусть интересующее исследователя свойство (У) объекта зависит от нескольких (п) независимых факторов (Х/} Х2,..., Х„) и необходимо выяснить характер этой зависимости - У = F(Xi, Х2,..., Хп), о которой имеется лишь общее представление. Зависимость У = F(X\,X.2, ■■•> Хп) называется функцией отклика.

Каждый фактор, участвующий в эксперименте, имеет определенные пределы изменения своей величины, внутри которых он может принимать любое значение или ряд дискретных значений. Совокупность всех этих значений называется областью определения фактора. В области определения надо найти локальную подобласть для планирования эксперимента, т.е. для каждого фактора нужно указать тот интервал изменений параметров, в пределах которого проводится исследование. На основе априорной информации устанавливаются ориентировочные значения факторов, комбинации которых дают наилучший результат. Этой комбинации значений факторов соответствует многомерная точка в факторном пространстве, которая принимается за исходную точку при построении плана эксперимента. Координаты этой точки называются основными (нулевыми) уровнями факторов. Задача состоит в том, чтобы для каждого фактора выбрать два уровня, на которых он будет варьироваться в эксперименте.

Представим себе координатную ось, на которой откладываются значения какого-нибудь фактора, например, температуры t°С. Пусть основной уровень уже выбран и равен 100°С. Это значение изображается точкой. Тогда два интересующих нас уровня можно изобразить двумя точками, симметричными относительно первой. Один из этих уровней верхний, другой нижний. За верхний уровень обычно принимается тот, который соответствует большему значению фактора.

Интервалом варьирования факторов называется некоторое число (свое для каждого фактора), прибавление которого к основному уровню дает верхний, а вычитание - нижний уровень фактора. Интервал варьирования - это расстояние на координатной оси между основным и верхним или нижним уровнем. Для упрощения записи условий эксперимента и обработки экспериментальных данных масштабы по осям выбираются так, чтобы верхний уровень соответствовал +1, нижний —1, основной 0. Это делается с помощью формулы преобразования

где - кодированное значение фактора; - натуральное значение фактора; – натуральное значение основного уровня; - интервал варьирования; j - номер фактора.

Ультразвковой импульсный метод

Ультразвуковым импульсным методом решаются задачи дефектоскопии строительных конструкций и определяются физико-механические свойства материалов: прочность, упругость, пористость. При этом применяют прибор с электроакустическими преобразователями.

В этот прибор входят излучатель и приемник колебаний. Щуп-излучатель и щуп-приемник (преобразователь звукового импульса в электрический сигнал) располагают на одной поверхности или с двух сторон конструкции.

 

В первом случае получают сведения о свойствах материала на глубине 30 – 50 мм, а во втором – достигают сквозного прозвучивания.

Излучатели и приемники – ультразвуковые преобразователи могут быть пьезоэлектрическими и магнитострикционными.

 

Пьезоэлектрический преобразователь (см. рис.19.) состоит из металлического корпуса 4, внутри которого располагается материал 3, обладающий пьезоэлектрическим эффектом. К числу таких материалов относятся кристаллы кварца, турмалина, титаната бария и сегнетовой соли. Кристалл, преобразующий электрическую энергию в механическую и наоборот, приклеивается или прижимается к прокладке 2 с помощью пружины 1, предназначенной для демпфирования свободных колебаний.

Рис.19. Пьезометрический преобразователь

Магнитострикционный преобразователь (см. рис.20.) состоит из магнитостриктора 2, который собирается из тонких изолированных друг от друга пластинок никеля или другого материала, обладающего под действием магнитного поля возможностью сжиматься и растягиваться. Пакет пластинок помещается в катушку, по которой пропускается переменный ток. В торце расположена металлическая мембрана 3, которая жестко прикреплена к корпусу 1.

Рис.20. Магнито-стрикционный преобразователь

 

Указанные преобразователи возбуждают продольные волны. Для получения поперечных волн используется явление трансформации продольной волны на границе раздела двух сред.

Применительно к металлическим конструкциям с помощью ультразвука осуществляется контроль дефектов в металле и контроль качества швов. При контроле качества сварных швов обнаруживаются шлаковые включения, газовые поры, трещины и непровары.

 

Для контроля стыковых соединений применяются призматические преобразователи с различными углами падения ультразвуковых волн а ( см. рис.23. ).

При сварных швах толщиной 250–300 мм и более используют преобразователи с углом а = 30 град. При исследовании более тонких швов угол увеличивается.

 

 

Применительно к испытанию бетона ультразвуковой импульсный метод позволяет не только проводить дефектоскопию изделий, но и определять физико-механические характеристики бетонов. Так как бетон является неоднородным материалом, то при его дефектоскопии возможно выявить лишь дефекты, размеры которых превышают характерный размер заполнителя.

 

Наибольшее распространение получили два метода импульсной ультразвуковой дефектоскопии бетона: -метод сквозного прозвучивания; -метод продольного профилирования (метод годографа) (см. рис.24.). Оба метода основаны на изменении скорости распространения ультразвука на дефектных участках.

Рис.24. Схема сквозного прозвучивания