Методы местного снятия напряжений

 
 

Методы местного снятия напряжений

 
 
Если временная нагрузка на сооружение мала по сравнению с постоянной и она не может вызвать значительных добавочных напряжений и деформаций, которые измеряются при испытаниях, или если состояние конструкций таково, что дополнительно ее нагружать опасно, то при определении напряжений применяют метод местного снятия напряжений. При испытании конструкций пробной нагрузкой собственные напряжения и собственные усилия остаются неизвестными. Собственными, или начальными, напряжениями называются такие напряжения, которые присутствуют в упругом, не нагруженном внешней нагрузкой теле и являются следствием предшествующей работы конструкции (элемента). Они возникают при неравномерном остывании после прокатки, сварки и т. п. Для стальных конструкций наличие собственных напряжeний — естественное состояние. Наличие напряжений без внешней нагрузки присуще и выправленным элементам. В отдельных случаях собственные напряжения могут быть той критической добавкой, благодаря которой в конструкции может наступить предельное, аварийное состояние.

ля определения действительных напряжений в элементах конструкций, не связанных с их полным разрушением, существует ряд способов, которые могут быть разделены на две группы: механические методы определения действительных напряжений (по макродеформациям) и физические (по микродеформациям). К первой группе относится метод местного снятия напряжений путем вырезания образца из напряженной конструкции и высверливания отверстия. Сущность этого метода заключается в следующем: если из напряженной конструкции вырезать элементик, то он окажется свободным от всех действующих напряжений, которые уравновешивались за пределами его объема, иными словами, изенится равновесное состояние как самого вырезанного элементика, так и зоны вокруг того места, откуда он был вырезан. Деформации могут измеряться либо вырезаемого элементика, либо основного тела вблизи места вырезки. Если элементик вырезается на всю толщину сечения (это наиболее распространенный в стальных конструкциях случай, так как глубина кольцевого выреза должна быть 6—15 мм), то такой способ называют способом диска, если же глубина реза делается не на всю толщину сечения, — способом столбика.
 
При определении главных напряжений при плоском напряженном состоянии тензодатчики наклеиваются в виде розетки. Вокруг последней делают кольцевой разрез.

Способ диска находит применение в листовых конструкциях. Для других, например стержневых, при диаметре отверстия около 10—15 мм происходит значительное ослабление поперечного сечения элемента конструкции netto, и существенно изменяется распределение напряжений в зоне вокруг образовавшегося отверстия, которое сопровождается местным деформированием.

Способ отверстия заключается в том, что на элементе конструкции, действительные напряжения в котором хотят определить, высверливается отверстие и измеряется его диаметр. Если элемент растянут, то диаметр отверстия по направлению усилия увеличивается, если сжат, — уменьшается. Отсчеты по тензометрам, установленным либо над намеченным к рассверловке отверстием, либо по сторонам высверливаемого отверстия, берутся: первый — до высверливания, второй—после (когда металл от сверления  остынет).   Величина  деформации  диаметра отверстия Ad вычисляется по разности отсчетов тензометра. Тензометры проф. Н. Н. Аистова устанавливаются с базами 150 и 200 лш.

В настоящее время разработаны приспособления, которые дают возможность уменьшить диаметр рассверливаемого отверстия до 5 мм. Недостаток способа — большая концентрация напряжений возле малого кругового отверстия.  При одноосном напряженном состоянии коэффициент концентрации k = 3, при двухосном k = 2.

Без нарушения сплошности исследуемого элемента действительные напряжения в нем могут быть определены при помощи рентгенографического метода. Он позволяет определять величину и направление напряжений в очень небольшой области. В основе лежит измерение относительного изменения межплоскостного расстояния в решетке кристалла одинаково ориентированных плоскостей атомной решетки под действием напряжений. Точность измерения действительных напряжений зависит от неравномерности распределения собственных напряжений, что имеет значение, так как напряжения определяются в небольшой области. Значительные габариты и вес рентгеновской аппаратуры также ограничивают применение рентгенографического метода. Современные здания и сооружения с металлическими конструкциями представляют собой сложные конструктивные комплексы, куда входят не только металлические конструкции, но и железобетонные покрытия, кирпичные или панельные стены, ограждающие конструкции и т. п. Исключение составляют сугубо металлические сооружения: резервуары, радиомачты, опоры линий электропередач и т. п. Натурным испытаниям могут подвергаться все виды конструкций, входящие в общий комплекс здания. В поврежденных конструкциях при их испытании важно определить, выдерживают ли они рабочую плюс какую-то дополнительную «страховочную» нагрузку, как одновременно ведут себя стыки, соединения и в целом весь комплекс конструкций. Если возникла необходимость в испытании какой-либо отдельной конструкции, предпочтение во многих случаях должно быть отдано (при соответствующем обосновании) одному из так называемых неразрушающих методов испытания. Для выявления же работоспособности комплекса конструкций, сооружения в целом или его части наиболее рациональным, хотя и значительно более многодельным методом, следует признать испытание пробной нагрузкой.

В Главленинградстрое и Главзапстрое ряд лет успешно применяются неразрушающие методы испытания материалов и конструкций, главным образом сборных железобетонных конструкций, проводится контроль качества бетона, сварных швов, физико-механических свойств строительных материалов. Применяются так называемые радиометрические, электронноакустические и магнитные способы испытаний, разработанные на основе новейших достижений радиоэлектроники и атомной физики.

В основе всех этих методов лежит использование параметров магнитной проницаемости, волнового, колебательного движений и процессов взаимодействия с материалами некоторых видов ядерных излучений в качестве характеристик физико-механических свойств материалов и конструкций. Для испытаний разработаны приборы и измерительная аппаратура, которая уже достаточно хорошо апробирована. Этот метод может быть с успехом применен при испытаниях металлических конструкций.

Магнитный метод определения напряжений свободен от недостатков, связанных с выпиливанием образцов, высверливанием в них отверстий и других механических воздействий. В его основе лежит явление магнитострикции.
Изменение магнитных свойств стали при изменении, например, одноосного напряженного состояния происходит так, что часть магнитных параметров в продольном к направлению действия сил направлении и поперечном получают приращения разных знаков. В элементе конструкции возникает магнитоупругая анизотропия.

Измерение магнитных величин не представляет собой сложности. Например, в полевых условиях наиболее простым легко осуществимым является индукционный метод с применением переменного магнитного поля. Вследствие изменения магнитного потока в измерительной катушке индуктируется ЭДС, величину которой можно легко измерить.
Для измерения напряжений используются специальные щупы, прижимаемые к поверхности элемента конструкции так, что участки металла оказываются заключенными между полосами магнитопровода щупа. Полное магнитное сопротивление магнитопровода зависит от магнитного сопротивления включенного участка металла. О величине напряжения судят по изменениям магнитной проницаемости в испытываемой конструкции.