Мета і задачі експериментальних досліджень..

План лекції:

1. Мета й задачі експериментальних досліджень.

2. Класифікація експериментальних досліджень.

3. Теоретичні основи і методологія експериментальних досліджень.

4. Фізичне моделювання конструкцій

Основна мета експериментальних випробувань конструкцій –це виявлення їх працездатності за самих несприятливих обставин, які можуть зустрітися за весь період експлуатації. Задачі застосування експериментальних методів досліджень дещо змінювались з розвитком будівельної справи. Так відомо, що майже завжди піддавав випробуванню свої винаходи Леонардо да Вінчі. Залишились праці Галілея, в яких викладені результати випробування на міцність балок. Метою таких випробувань було з’ясування міцності конструкцій у момент руйнування. З розвитком теоретичних уявлень про роботу навантажених конструкцій з’явилася потреба розібратися з характером їх, роботи на проміжних стадіях навантаження, прогнозування схеми руйнування. На основі таких випробувань можна було вдосконалювати теорії розрахунку. Такі цілі можливо було ставити лише наприкінці ХVIII століття, коли почали з’являтися перші випробувальні машини і вимірювальні прилади. В Х1Х столітті, коли бурхливо розвивалася залізниця, настала потреба випробовувати мости. Одним із яскравих прикладів таких досліджень є випробування моделей дерев’яного мосту через Неву прогоном 297 м у масштабі 1:10. Основною метою цих випробувань було не встановлення руйнівного навантаження, а визначення поведінки елементів конструкцій у стані експлуатації, а також розробка передумов моделювання споруд. Важливі експериментальні роботи провів Д.І. Журавський з дерев’яними фермами, що дало змогу розібратися з характером розподілення зусиль між елементами ферми, обґрунтувати теорію їх, розрахунку.

Подальший розвиток будівельної механіки в бік поширення статично-невизначених та просторових систем ставлять перед експериментальними методами нові цілі: перевірка ймовірності розрахункових схем та моделей твердого деформованого тіла, обґрунтування фізичних теорій міцності матеріалів та конструкцій тощо.

Як бачимо, перед експериментальними методами випробування ставляться все більш складні завдання.

В сучасний період розвитку будівництва йде боротьба за зниження маси будівель, економію матеріалів. Кожен конструктивний елемент перевіряється з точки зору раціонального використання в ньому будівельних матеріалів. Зрозуміло, що розробка нових, більш досконалих конструкцій не може проводитись без їх експериментальної перевірки. Тому зросла кількість різноманітних випробувальних лабораторій, як у науково-дослідних інститутах, так і на виробництві.

Розробка та вдосконалення норм проектування потребує велетенської роботи по накопиченню експериментальних даних для статистичного обґрунтування нормативного та розрахункового опору матеріалів, особливо для умов дії агресивного середовища, динамічних та сейсмічних навантажень, а також при проектуванні нових споруд (наприклад, реакторів ядерних електростанцій). Важливою галуззю наукових досліджень шляхом випробування моделей і натурних конструкцій є будівництво гідротехнічних споруд. Починаючи з будівництва Дніпрогесу, де перші випробування велись під керівництвом д.т.н., професора Ю.А.Нілендера, до сучасних унікальних гідростанцій, проектні рішення обґрунтовуються шляхом випробування моделей, а після зведення споруд ведеться багаторічний нагляд за спорудами в дослідженнях їх, напруженого й деформованого стану з допомогою спеціальних дослідних станцій.

Таким чином у сучасних умовах ціль експериментальних досліджень можна визначити так: якісна й кількісна оцінка показників, що характеризують стан діючих об’єктів, а також дослідження процесів, що в них протікають, виявлення характеру роботи елементів конструкцій і встановлення їх відповідності технічним вимогам.

Згідно з цим можна сформулювати основні завдання експериментальних досліджень будівель і споруд:

• визначення відповідності якісних показників досліджувальної конструкції проекту, вимогам норм, стандартів;

• перевірка розрахункових схем конструкцій ступеню жорсткості з’єднань;

• виявлення зв’язку між деформаціями й напруженнями в елементах конструкцій;

• перевірка гіпотези плоских перерізів;

• вивчення розподілу напружень у перерізах елементів конструкцій;

• визначення відповідності між реальною поведінкою конструкції і її розрахунковою схемою;

• перевірка працездатності конструкцій;

• виявлення спроможності експлуатації у разі збільшення навантажень;

• вивчення реальної роботи нової споруди чи конструкції, надійність якої ще не підтверджена практикою;

• розробка нових будівельних конструкцій;

• перевірка методів випробування конструкцій, або нових вимірювальних приладів;

• виявлення дефектів та встановлення нерівномірності розподілу фізико-механічних властивостей у конструкціях;

• визначення рівня напруженого стану в конструкціях під дією навантажень.

Приведеним переліком не обмежуються завдання експериментальних досліджень, навпаки з розвитком будівельної механіки з’являються все нові завдання, розв’язання яких потребує нових експериментальних методів, більш тонкої техніки експерименту. Саме такі завдання стимулюють розвиток експериментальних методів досліджень, розвиток науки й техніки.

Класифікація експериментальних досліджень.

В першу чергу слід розділити експериментальні дослідження на три напрямки по цілям досліджень:

• що проводяться як наукові експерименти з метою дослідження роботи нових конструкцій, чи перевірки нових методів, або наукових гіпотез та теорій;

• що мають ціль виявити працездатність, надійність окремих конструкцій, будівель чи споруд для вирішення можливості їх, промислового застосування ;

• що проводяться з метою контролю якості при виробництві конструкцій.

Кожен із цих напрямків може бути умовно розділений на два класи за характером навантаження, що застосовується при експерименті:

• випробування статичним навантаженням;

• випробування динамічним навантаженням.

Статичним навантаженням вважається таке навантаження, яке не змінює свою величину на протязі довгого часу, принаймні на протязі випробувань конструкції. Таке навантаження важко здійснити, бо сам процес навантажування є динамічним, під час випробувань навантаження теж дещо змінюється, перерозподіляється. Тому точніше можна сказати так: статичне навантаження є частковий випадок динамічного, коли частота зміни амплітуди коливань є дуже малою, не помітною під час випробувань, так, що нею можна знехтувати.

Дослідження статичним і динамічним навантаженням відрізняються одне від одного як методикою, так і вимірювальною апаратурою та приладами.

За місцем проведення експериментальні методи поділяються на лабораторні, заводські та натурні. В лабораторії випробовують невеликі за розмірами зразки, моделі. Лабораторні випробування мають переваги в тому, що в лабораторії можна здійснити потрібні кліматичні умови, забезпечити роботу приладів, а значить високу точність і якість експерименту. В заводських умовах проводять випробування контрольних зразків виробів для визначення їх, відповідності технічним вимогам чи проектним даним. Для випробувань використовуються спеціальні стенди, обладнані необхідними засобами. Натурні дослідження організовуються в найбільш складних випадках, коли для перевірки надійності потрібно провести випробування цілої споруди або її фрагменту експлуатаційним навантаженням. До руйнування при натурних дослідженнях споруду доводять лише в крайніх випадках.

Прикладом натурних випробувань є випробування спеціальних експериментальних будинків, зведених на підроблюваних територіях (над шахтними проходками), а також випробування гідротехнічних споруд, які проводяться під час повені шляхом проведення вимірювань деформаційно-напруженого стану.

За характером кінцевої дії експериментальні дослідження можна також поділити на руйнівні й неруйнівні. Руйнівні методи більш поширені, бо вони мають повнішу інформацію про поведінку конструкції і її окремих елементів, їх взаємодії, дають можливість виявити найбільш слабкі місця. Неруйнівні методи дозволяють провести випробування і при цьому зберегти експлуатаційну спроможність конструкції без утрати надійності. Поняття не руйнівності умовне, бо любий неруйнівний метод вносить якісь зміни в матеріал конструкції, тобто десь щось у ній руйнує, але ці зміни такі малі, що ними можна знехтувати. Більш докладно це питання буде розглянуто нижче.

Наведена класифікація не є остаточною, бо експериментальні методи досліджень швидко змінюються, вдосконалюються. З’являються нові комплексні методи експериментальних досліджень.

Теоретичні основи й методологія експериментальних досліджень.

Основи теорії планування експерименту.

Ми вже звертали увагу читача на те, що експериментальні дослідження належать до складного виду діяльності і тому їх слід заздалегідь планувати. Планування з ретельним обґрунтуванням деталей експерименту дозволяє уникнути помилок, що можуть виникати під час досліджень і затримувати хід робіт, або приводити до знецінювання одержаних результатів. Але це лише одна позитивна сторона планування експерименту. Друга, найбільш суттєва, в тому, що це планування поставлене на наукову основу. Розвиток статистичних методів обробки результатів досліджень стимулював розвиток теорії планування експериментів, використання якої дозволяє експериментально значно скоротити кількість дослідів без зменшення якості і надійності інформації від їх проведення. Теорія планування експерименту добре викладена в спеціальній літературі, а також у підручниках та навчальних посібниках. Щоб зацікавити читача цією теорією, але при цьому не перевантажувати підручник спеціальною термінологією, та викладенням елементарних понять, розглянемо на конкретному прикладі , як ця теорія може стати в нагоді, і тоді дамо необхідні пояснення.

Нехай нам треба дослідити функціональний зв’язок між напруженнями й деформаціями бетону при центральному одноосному стиску. Відомо, що цим займалося багато дослідників, які запропонували функції для відображення цього зв’язку.

Фізичне моделювання конструкцій

Моделювання – це дослідження будь-яких явищ, процесів чи систем об’єктів шляхом побудови і вивчення їх, моделей.

Моделі використовуються для визначення чи уточнення характеристик і раціоналізації методів конструювання нових об’єктів. При фізичному моделюванні встановлюється відмінність між однойменними в моделі та натурі: напруженнями та деформаціями при заданих навантаженнях, та критичними значеннями навантажень.

Шляхом моделювання з’ясовується різноманітність розрахункових схем, перевіряються методи розрахунку напружень і деформацій (переміщень) в системах, обґрунтовується геометрія конструкцій. Теорія моделювання вирішує питання, пов’язані з вибором виду й параметрів моделі і з переходом від величин, що визначаються на моделі, до величин в натурі. Якщо в моделі повністю зберігається матеріал натурної конструкції, то має місце окремий випадок фізичного моделювання – масштабне моделювання.

Розглянемо деякі питання фізичного моделювання.

Наведені вище умови інваріантності дозволяють при побудові моделі вірно вибрати одні параметри в залежності від інших.

Як правило, при виготовленні моделі геометрично масштаб вибирають за незалежний.

Математичне моделювання.

За допомогою математики можна моделювати складні фізико-механічні процеси, описати любу конструктивну схему або технологічний процес, дати визначення різноманітним параметрам системи, їх функційним зв`язкам в любій координатній точці.

Математичне моделювання дає змогу без значних матеріальних витрат провести дослідження елементів складних конструкцій, або цілих конструктивних систем, встановити взаємозалежність величин. Результати математичного моделювання використовуються для створення фізичних моделей і проведення досліджень в натурних умовах.

Найбільше розповсюдження в розрахунках будівель та споруд знайшли такі методи математичного моделювання:

• методи сил та переміщень;

• метод рівновісних елементів;

• метод скінчених елементів;

• структурний метод скінчених елементів.

Для рішення систем лінійних рівнянь використовується фронтальний метод, а для супервеликих систем – метод блочної релаксації. Критичні навантаження, частоти й форми коливань визначаються методом ітерації підпростору.

На базі цих методів розроблені чисельні методи розрахунків, створені різноманітні програмні комплекси : ReCON, SCAD, МІРАЖ, ЛІРА, АСТРА та інші, які широко використовуються для розрахунків цілого класу задач будівельної механіки, теорії пружності, механіки деформованого твердого тіла.

Враховуючи те, що ці методи вивчаються в ВНЗ і контингент, для якого призначається цей підручник, з ними в певній мірі обізнаний, дозволимо собі закінчити розгляд питань, відіславши читача до спеціальної літератури.