CC BY
22
УДК 624.012.35.45
Илшат Т. Мирсаяпов, Ю.П. Дябин, Р.Р. Галиуллин
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗОН КОНЦЕНТРАЦИИ НАПРЯЖЕНИЙ В ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЯХ МЕТОДОМ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ
В зоне совместного действия поперечных сил и изгибающих моментов бетон работает в условиях плоского напряженного состояния, при наличии нормальных и наклонных трещин испытывает неупругие деформации. Традиционный способ измерения деформаций в бетоне с помощью электротензометрии не позволяет получить подробную и полную информацию о деформированном состоянии бетона в этой зоне в условиях плоского напряженного состояния при образовании и развитии нормальных и наклонных трещин. Это связано с тем, что в условиях плоского напряженного состояния для того, чтобы иметь полную информацию о деформированном состоянии в одной точке, необходимо иметь розетку из 3-х-4-х тензодатчиков. При этом, с одной стороны, определение деформаций на такой большой базе не позволяет точно установить направления и размер главных деформаций в точке, а с другой стороны, при циклическом нагружении в зоне действия поперечных сил образуется множество нормальных и наклонных трещин, которые при своем развитии выводят из строя датчики многих розеток. Поэтому в таких условиях проблематичным становится, во многих случаях, не только получение количественной оценки деформированного состояния бетона в зоне действия поперечных сил, но даже и получение качественной картины деформированного состояния в бетоне.
В бетоне, как в упруго-вязком материале, при многократно повторяющихся циклических нагружениях накопленная энергия неупругой деформации может превратиться только в тепловую энергию. Поэтому можно предположить, что в наиболее напряженных местах возможен определенный нагрев материала.
Рис.1. Характер изменения температуры разогрева в процессе циклического нагружения
В общем виде температура нагрева Т в зависимости от числа циклов нагружения N может быть представлена тремя участками (рис. 1): 1 - начальный разогрев, проходящий с убывающей скоростью; 2 -установившийся разогрев; 3 - конечный разогрев с нелинейным подъемом температуры, предшествующий разрушению материала. Температура как количественный показатель внутренней энергии тел является универсальной характеристикой объектов и процессов физического мира, в котором непрерывно происходит генерация, преобразование, передача, накопление и использование энергии в ее различных формах. Анализ температурных полей позволяет получить разнообразную информацию о состоянии объектов и протекании физических процессов в природе, энергетике, промышленности, строительстве, медицине и т. д.
Параметры динамики температурных полей при заданном режиме нагружения зависят от уровня максимальной нагрузки цикла. Свойство нагрева бетона за счет его неупругого деформирования при многократно повторяющихся нагружениях и распределение температуры нагрева на поверхности железобетонных балок можно попытаться использовать для нахождении зон концентрации напряжений в бетоне в зоне действия поперечных сил.
В связи с этим впервые в Казанском государственном архитектурно-строительном университете для качественной оценки напряженно-деформированного состояния железобетонных балок в зоне совместного действия поперечных сил и изгибающих моментов при многократно повторяющихся циклических нагружениях был применен тепловизионный метод контроля.
ИК (инфракрасная) термография как один из методов теплового контроля дает возможность дистанционной регистрации, визуализации и анализа температурных полей объектов. Суть метода теплового контроля состоит в регистрации температурного поля на поверхности контролируемого изделия тепловизионной аппаратурой и последующем анализе термограмм с использованием ПЭВМ для обработки результатов и принятия решения [1].
В нашем случае, специфика объекта исследования, а именно - изделия из тяжелого железобетона с высокой теплопроводностью, ожидаемые величины перепада температур по поверхности которого составляют сотые и десятые градуса (0,01-0,10С), в свою очередь накладывает
определенные требования по выбору тепловизора с высокой температурной чувствительностью. Также необходимо учесть тот факт, что процесс усталостного испытания по времени занимает несколько часов, в течение которых необходимо непрерывно фиксировать возможные механические изменения (деформация, образование трещин и т.д.) одновременно с измерением поля температур поверхности. При этом требуется также регистрировать абсолютные значения температур в аномальных зонах на поверхности объекта. С учетом данных требований был выбран отечественный тепловизор-радиометр -
«компьютерный термограф - ИРТИС-2000», имеющий следующие основные технические характеристики:
- чувствительность к перепаду температур
на уровне 30 0С - 0,05 0C;
- мгновенное поле зрения - 1,5 мрад.;
- погрешность измерения - ±1%;
- диапазон измерений - от -40 до 200 0С
Управление работой и предварительная обработка
термоизображений проводятся на портативном компьютере NOTEBOOK, входящем в состав тепловизора. Обследование температурного состояния балки проводилось в следующей последовательности. Первоначально балка устанавливалась на испытательный стенд и выдерживалась в лабораторных условиях не менее 24 часов с целью стабилизации ее температурных характеристик. Затем проводилась настройка тепловизионной аппаратуры с целью достижения оптимальных режимов регистрации тепловых полей поверхности балки. Далее начинался цикл усталостных испытаний по заданной программе. В качестве опытных образцов были приняты железобетонные балки из тяжелого крупнозернистого бетона марок 300-400 размером 120х345х2000 мм, загруженные двумя симметрично расположенными грузами, размещенными на расстоянии от опоры, равном 0,96 h0, 1,5 h0, 2,5 h0, где h0 - рабочая высота сечения балок.
Испытания многократно повторяющейся нагрузкой при различных уровнях циклической нагрузки с коэффициентом асимметрии цикла нагрузки
Р =0,33 проводились на универсальной испытательной машине УРС-50. Все экспериментальные образцы были испытаны в заведомо жестком режиме с целью получения усталостного разрушения при заданных параметрах циклического нагружения. Температура внутреннего воздуха в помещении в момент испытаний составляла 17,2-17,7 0С. Измерение температурного поля поверхностей балок тепловизионной камерой ИРТИС осуществлялось в пределах первого цикла (N=1) нагружения до максимальной нагрузки цикла, а затем через определенное количество циклов нагружения N1, N2 ...Nn многократно повторяющейся циклической нагрузкой для того, чтобы получить динамику развития зон концентрации напряжений в зоне действия поперечных сил. При этом проводилась синхронная
|}к.[нм^с кюбражсіші; 6а;жи
До вагруженш
После циклического нжгружнм
Рис.2. Видимое и тепловизионное изображение балки
регистрация параметров циклического нагружения и соответствующих тепловизионных изображений на жестком диске NOTEBOOK. Тепловизионные изображения фиксировались как в режиме отдельных кадров, так и в режиме непрерывной съемки. Последнее применялось при приближении момента усталостного разрушения балки.
Проведенные усталостные испытания железобетонных балок на действие поперечных сил с применением тепловизионного метода контроля с помощью тепловизора-радиометра ИРТИС-2000 подтверждают наше предположение о том, что в
процессе циклического нагружения происходит определенный нагрев бетона в зонах концентраций напряжений. В результате этого установлены области концентрации напряжений в железобетонных изгибаемых элементах в зоне действия поперечных сил при многократно повторяющихся нагружениях. Измерения температурного поля поверхностей балок через определенное количество циклов нагружения позволили получить динамику развития зон концентрации напряжений в процессе циклического нагружения при действии поперечных сил. В качестве примера на рис. 2 приведено видимое и тепловизионное изображения одной приопорной зоны железобетонной балки с малым пролетом среза после определенного количества циклов нагружения. При этом указана также палитра, соответствующая измеряемому диапазону температур.
Как видно из рис.2, в процессе циклического нагружения в элементах с малым пролетом среза между опорной и грузовой пластинами выделяется полоса с более высокой температурой, что является следствием концентрации сжимающих напряжений в пределах этой наклонной локальной полосы, связанная с точками
приложения внешних усилий, в пределах которой из-за виброползучести бетона происходит усиленное развитие неупругих деформаций. Очевидно поэтому эта локальная полоса концентрации напряжений между опорой и грузом в процессе циклического нагружения выделяется двумя трещинами вдоль ее границ, и впоследствии между ними произошло усталостное раздробление бетона. Как следует из рис. 2, зона концентрации напряжений имеет четко выделенную область с превышением температуры на +0,3 - +3 0С по сравнению с температурой поверхности, менее нагруженных областей. Как видно из рис.2, в пределах самой зоны концентрации напряжений распределение превышения температур имеет неравномерный характер - от +0,3 0С в середине полосы концентрации напряжений до +3 0С и более под грузовой и опорной пластинами.
Литература
1. Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. Т.5: В 2 кн. Кн. 1: Тепловой контроль./ В.П. Вавилов. -М.: Машиностроение, 2004. - 679 с.
