4.2 Лабораторные установки для углубленного экспериментального изучения сопротивления материалов при подготовке строительных инженеров в контексте компетентностного подхода в обучении
- Информация о материале
- Родительская категория: Главная
- Категория: Раздел 4 ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЕ ЛАБОРАТОРИИ ПО СОПРОТИВЛЕНИЮ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ВНЕДРЕНИЯ В УЧЕБНЫЙ ПРОЦЕСС С УЧЕТОМ ПРОФИЛЯ ПОДГОТОВКИ ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНИЧЕСКИХ СПЕЦИАЛИСТОВ В КОНТЕКСТЕ КОМПЕТЕНТНОСТНОГО ПОДХОДА В ОБУЧЕНИИ
- Опубликовано: 24.11.2016 10:58
- Просмотров: 683
Основными задачами сопротивления материалов применительно к инженерно-строительным специальностям являются две: 1) рассмотрение условий равновесия элементов строительных конструкций под действием внешних и внутренних сил; 2) изучение методов и средств для теоретического и экспериментального определения упругих деформаций и напряжений в наиболее нагруженных точках элемента конструкций под действием реальных внешних нагрузок в целях оценки их прочности и обеспечения безопасности.
С практической точки зрения наиболее важным является изучение деформаций и напряжений в конкретных точках элемента конструкций экспериментальным методом.
Наше видение успешного решения проблемы углубленного изучения и практического усвоения сопротивления материалов и других дисциплин прочного цикла в вузах строительного направления заключается в следующем. Каждый вуз необходимо укомплектовать автономной учебной тензометрической лабораторией с включением экспериментальных установок, обеспечивающих опытное изучение:
1. Коэффициентов Пуассона и концентраций напряжений;
2. Напряжений при прямом изгибе двухопорной балки;
3. Напряжений при косом изгибе консольной балки;
4. Напряжений при чистом кручений бруса; модуля сдвига материала;
5. Напряжений при одновременном изгибе и кручении бруса;
6. Монтажных напряжений;
7. Напряжений в кривом стержне (грузовой крюк);
8. Напряжений при внецентренном растяжений - сжатий стержня;
9. Напряжений при продольном изгибе стержня (сжатый стержень);
10. Напряжений в статически неопределимых балках;
11. Напряжений в статически определимой и неопределимой рамах;
12. Напряжений в оболочке:
В балках должно быть предусмотрено экспериментальное определение прогибов. Автономная учебная тензометрическая лаборатория должна быть снабжена современным измерителем упругих деформаций.
Ниже рассматриваются конструкции и принципы работы некоторых тензометрических экспериментальных установок по сопротивлению материалов, используемых автором, и призванных обеспечивать углубленное изучение этого сложного и нацеленного на практику курса в контексте компетентностного подхода в обучении.
Определение коэффициента концентрации напряжений и коэффициента Пуассона материала образца
Реальные элементы строительных конструкций могут иметь отверстия, канавки, технологические выточки, которые являются концентраторами напряжений. С точки зрения прочности крайне важно знать действительную величину напряжений, вызванных конкретными концентраторами. На лабораторных занятиях по сопротивлению материалов целесообразно показывать обучающимся влияние концентраторов на величину напряжений в интересующихся точках нагруженного элемента конструкций.
Теоретическое определение напряжений, связанных с концентраторами напряжений, затруднено из-за сложности расчетных формул. Однако это нетрудно выполнить экспериментально.
Лабораторная установка (рисунок 3.4) состоит из основания 4, стойки 3, рычага 2 с двумя блоками 1 и 7. К основанию шарнирно крепится испытуемый образец 5. Испытуемый образец представляет собой пластину (в зависимости от поставленной задачи образец может быть изготовлен из любого материала: металл, древесина, бетон и железобетон, композитные материалы) со сквозным отверстием. Растягивающая сила F на образец передается через стальной канат 6, перекинутый через блоки 1 и 7. Экспериментальная установка, подготовленная к измерениям, показана на рисунке 4.21.
На поверхности испытуемой пластины для измерения величины относительной линейной деформации ɛ3 в точке, находящейся в непосредственной близости от отверстия, наклеен рабочий тензометрический датчик РД3. Для измерения относительной деформации ɛ1 в удаленной от стенки отверстия точке наклеен рабочий тензометрический датчик РД1. Компенсационный тензометрический датчик КД наклеивается на отдельной недеформируемой пластине из того же материала, как и испытуемая пластина. Тензометрические датчики имеют базу 20 мм и электрическое сопротивление 100-200 Ом и соединены по полумостовой схеме, выводы которых подключаются к современному измерителю упругих деформаций типа ЦТИ-1.
Для определения действительных относительных деформации в точках, где наклеены рабочие тензометрические датчики РД1 и РД2, разность показаний прибора до и после нагружения внешней силой умножают на 2·10-6.
Соответствующие нормальные напряжения в точках находят по закону Гука.
Коэффициент концентрации напряжений ασ определяется по формуле:
ασ = ɛ3/ ɛ1 .
Рисунок 4.21 Определение коэффициентов Пуассона и концентрация напряжений при растяжении
Используя этот же образец, можно определить важную упругую постоянную материала — коэффициент Пуассона [55, 58, 64].
Для этого перпендикулярно оси образца наклеен рабочий тензометрический датчик РД2 , составляющий с компенсационным датчиком полумостовую схему. По сигналам этого датчика находят относительную поперечную деформацию ɛ2. Коэффициент Пуассона определяют по формуле:
ν = ɛ2 /ɛ .
Определение напряжений при одновременном кручении и изгибе бруса
Строительные балки круглого сечения с эксцентрично приложенной внешней силой одновременно работают на изгиб и кручение.
Экспериментальная установка (рисунок 4.22) состоит из стойки 1, закрепленного к ней трубчатого бруса 2.
Скручивающий момент в любом сечение бруса создается действием пары сил F, приложенной к двухплечевому рычагу 3 в плоскости, перпендикулярной к оси. Внешняя сила F действует на гибкий трос 5, закрепленный на кронштейне 7 и перекинутый через блоки 4 и 6, шарнирно соединенные с рычагом.
Изгибающий момент вызывается силой F1, приложенной вертикально вниз на свободном конце, линия действия которой должна проходить строго через центр тяжести поперечного сечения бруса. Численное значение изгибающего момента равно произведению величины силы F1 на расстояние от линии действия силы до сечения бруса, где определяются напряжения.
На рисунке 3.20 показана установка, подготовленная для опытов.
Для экспериментального определения максимального касательного напряжения, возникающего в точке бруса, под углом 45° к образующей приклеивается рабочий тензометрический датчик РД1, а на наружной части поверхности в вертикальной плоскости симметрии в том сечении, где определяются касательные напряжения, размещается другой рабочий тензометрический датчик для измерения относительной деформации при изгибе. Термокомпенсационный тензометрический датчик КД приклеивается на недеформируемой части стойки. Рабочие и компенсационный датчики соединены в полумостовую схему и соответствующим образом подключаются к измерительному прибору. Рабочие тензометрические датчики соответственно измеряют линейные относительные деформации в точке стенки бруса при кручении и изгибе на основе принципа независимости действия внешних сил. Относительная угловая деформация при кручении и линейная деформация связаны формулой:
γ=2ɛ.
Касательное и нормальные напряжения в точке при одновременном кручении и изгибе бруса определяются по закону Гука. Полное напряжение может быть найдено на основе теории наибольших касательных напряжений.
Определение монтажных напряжений
В реальных условиях расхождение размеров отдельных элементов конструкций от технической документации ведет к возникновению дополнительных нежелательных напряжений при сборке [30]. На рисунке 4.23 представлена схема конструкции, состоящая из основания 4, массивной балки 3, шарнирно соединенной со стойкой. Балка опирается на два вертикальных стержня 1 и 2, причем между торцом стержня 2 и опорной частью балки имеется зазор δ.
В процессе сборки при затягивании гайки болта, жестко соединенного со стержнем 2, зазор δ устраняется в основном из-за соответствующих деформаций стержней и частичной деформации балки.
В экспериментальной установке расстояния а и в незначительны. Для экспериментального определения относительных деформаций стержней при сборке на них параллельно оси симметрии приклеены рабочие тензодатчики РД1 и РД2. Компенсационный датчик размещен на недеформируемой отдельной пластинке. Рабочие и компенсационный датчики образуют внешний полумост и включаются к измерителю деформаций. Во время испытаний сигналы рабочих датчиков измеряют до и после сборки конструкции.
Рисунок 4.22 Принципиальная схема экспериментальной установки для определения напряжений в сложно нагруженном брусе
Рисунок 4.23 Стержневая конструкция для изучения монтажных напряжений
Изучение напряжений при косом изгибе консольной балки
Многие ответственные элементы строительных конструкций под действием внешних силовых факторов испытывают деформацию косого изгиба. Лабораторная установка этого вида деформации состоит (рисунок 4.24) из основания и вертикальной стойки, приваренной к ней горизонтальной стальной консольной балки 2 длиной l, прямоугольного поперечного сечения со сторонами b и h. К точке ОК торцевого сечения балки присоединен гибкий трос 3, перекинутый через блок 4 в кронштейне 5. На трос навешен груз F. Блок на основании установки конструктивно размещен таким образом, чтобы направление троса на участке ОК составило угол φ с вертикалью. Если пренебречь трением в блоке, то можно считать, что на консольную балку в торцевом сечении действует сила F. На рисунке 3.41 представлена консольная балка для проведения опытов. Для определения относительного удлинения в точке С от изгибающего момента Мх, вызванного частью силы F, опытным путем на верхней грани балки параллельно оси симметрии наклеен рабочий тензометрической датчик РД1 , а для определения относительного удлинения в рассматриваемой точке от изгибающего момента Му, также вызванного частью силы F, на боковой грани параллельно оси симметрии наклеен рабочий тензометрический датчик РД2. Компенсационный КД тензометрический датчик наклеивается на недеформируемой части установки.
Опыт проводится в такой последовательности. В начале фиксируется показание цифрового измерителя деформации до нагружения балки. Затем консольная балка нагружается силой F и показания прибора записываются снова. Умножением разности показаний прибора до и после нагружения балки на единицу относительной деформации измерителя находится действительная величина относительной деформации в точке от действия двух изгибающих моментов.
По экспериментально найденным значениям относительных деформаций по закону Гука легко вычисляются и соответствующие нормальные напряжения в точке при косом изгибе балки. Полное напряжение в рассматриваемой точке определяется как алгебраическая сумма напряжений, установленных экспериментально.
Рисунок 4.24 Схема балки, испытывающей деформацию косого изгиба
Рисунок 4.25 Установка для изучения напряжений при внецентренном сжатии в железобетенной колонне
Определение напряжений в колонне при внецентренном сжатии
Несущие бетонные и железобетонные колонны зданий и сооружений, а также элементы их фундаментов испытывают в эксплуатационных условиях внецентренное сжатие. Поэтому в строительной практике большое значение приобретают результаты экспериментального определения напряжений в конкретных точках указанных конструкций для оценки их реальной прочности.
Рассмотрим железобетонный элемент квадратного поперечного сечения размером а х а и высотой h (рисунок 4.25). Для создания прессом внецентренной нагрузки F с эксцентриситетом на торцах элемента в первом квадранте сделаны специальные квадратные выступы размером а/4 х а/4 и высотой h1 [29].
Для измерения относительной упругой деформации в точке Д от изгибающих моментов Му и Mz соответственно на площадках, параллельных плоскостям ХОУ и XOZ, наклеены рабочие тензометрические датчики РДi и РД2. При этом для наклейки датчика РД| на грани образца в непосредственной близости от точки К сделан специальный паз. Для измерения относительной деформаций от продольной силы рабочий тензометрический датчик РД3 наклеен на грани выступа близко к оси и параллельно к ней. Компенсационный тензометрический датчик КД наклеивается на отдельном железобетонном недеформируемом элементе такого же качества, как и основной образец.
Рабочие и компенсационный тензометрические датчики соединяются во внешние полумосты и соответствующим образом включаются к измерителю деформаций.
После опытного определения относительных деформаций в точке Д, вызванных двумя изгибающими моментами и продольной силой, зная величину модуля продольной упругости данной марки железобетона, по закону Гука вычисляются соответствующие напряжения. Полное напряжение в точке при внецентренном сжатии образца определяется алгебраическим суммированием отдельных напряжений.
Оценка напряжений в сжатом стержне
При оценке критического напряжения в сжатом стержне используется лабораторная установка (рисунок 4.26), состоящая из основания 1, направляющей 2 и испытуемого на продольное сжатие стального или из другого материала стержня 3. Вертикальный стержень может иметь любой тип опор.
Для определения относительной деформаций в точке, находящейся в середине сжатого стержня, параллельно оси симметрии наклеен рабочий тензометрический датчик РД. Компенсационный тензометрический датчик КД наклеивается на отдельной стальной пластинке. Выводы внешнего полумоста подключается к измерительной аппаратуре.
Во время опытов для нахождения критической силы и напряжения стержень нагружается постепенно возрастающей силой F. При этом по показаниям измерителя определяются соответствующие относительные деформации в точке, где размещен рабочий тензометрический датчик.
Изучение напряжений в точках замкнутой оболочки
Точка замкнутой оболочки, находящейся под внутренним давлением q (модель показана на рисунке 4.27), испытывает плоское напряженное состояние, т.е. внутреннее давление стремится разорвать оболочку в сечении, параллельном образующей (напряжение σ1), и в сечении, перпендикулярному к его оси (напряжение σ2). Поэтому для измерения относительных деформации ɛ1 и ɛ2 во взаимно перпендикулярных направлениях оболочки наклеены рабочие тензометрические датчики РД1 и РД2. Термокомпенсационный тензометрический датчик КД наклеен на отдельной пластине и упругих деформаций не испытывает. Рабочие и компенсационный датчики соединены во внешние полумосты, выводы которых включаются к измерительному прибору.
Реальная экспериментальная установка представляет собой тонкостенный резервуар (рисунок 4.28). При проведении опытов внутри резервуара создается необходимое давление и измеряются соответствующие относительные деформации в точке. Напряжения находятся с учетом модуля продольной упругости материала стенки по закону Гука.
Рисунок 4.26 Стержень, испытывающий продольный изгиб
Рисунок 4.27 Тонкостенный резервуар (аналог замкнутой оболочки), испытывающий внутреннее давление
Рисунок 4.28 Тонкостенный резервуар пневмотормозной системы автомобиля, подготовленный для изучения напряжений в точках стенки
Эквивалентные напряжения вычисляются по энергетической теорий прочности и сравниваются с допускаемым напряжением материала стенки резервуара.
Среди описанного оборудования по сопротивлению материалов лабораторные установки для исследования напряжений при косом и продольном изгибе, внецентренном сжатии способствуют наблюдению закономерностей перехода количественных изменений в качественные: например, при косом изгибе - изменение направления внешней нагрузки; для сжатого стержня - изменение величины сжимающей силы; при внецентренном сжатии стержня - изменение координаты точки приложения внешней силы. Во всех упомянутых случаях изменение количественных показателей названных величин непременно приводит к качественному изменению напряженного состояния в точке элемента конструкций.
Методы экспериментального определения деформаций и напряжений в элементах строительных ферм, в плитах перекрытия (балки), в элементах статически неопределимой рамы, в кривом стержне (грузовой крюк), нагруженных балках с различными опорными устройствами освещены в периодической печати [32, 42,21,79].
Тензометрические лабораторные установки, входящие в комплект автономной тензометрической лаборатории по сопротивлению материалов для ВУЗов строительного направления, малогабаритны, несложны по конструкции, доступны в обслуживании.
Внедрение в образовательный процесс автономной тензометрической лаборатории обеспечивает углубленное экспериментальное изучение с наименьшими затратами времени основных теоретических разделов базового курса сопротивления материалов в контексте компетентностного подхода в обучении и направлено на повышение качества профессиональной подготовки специалистов для строительства.