Nodes of Experimental Installations for Testing Concrete for Creep

Full Text

В областях науки, связанных с проведением испытаний, иногда возникает необходимость помимо решения задач, связанных непосредственно с экспериментом, заниматься вопросами, больше относящимися к машиностроительной отрасли [1–7]. В первую очередь это касается подготовки к испытаниям. Экспериментальные исследования можно условно разделить на три группы по требованиям к испытательному оборудованию:

А. Испытания, при которых дополнительная нагрузка на образец не создается – исследуются параметры, не зависящие от внешней нагрузки (применительно к бетону это усадка, морозостойкость, водонепроницаемость, коррозионная стойкость и т. д.);

Б. Испытания образцов под нагрузкой с использованием заводского оборудования (прессы, разрывные машины).

В. Испытания образцов под нагрузкой с использованием уникального оборудования и стендов, разработанных под данные испытания (длительные испытания бетонных образцов на ползучесть, испытания масштабных моделей в рамах и т. д.).

Для испытаний группы Б, которые проводятся на заводском сертифицированном оборудовании, никаких проблем по информации о возможностях данного оборудования нет – ее можно найти в паспорте изделия. Для испытаний группы А, где дополнительная нагрузка на образец отсутствует, также отсутствуют и какие-либо особые требования к прочности испытательных стендов (обычно это просто стеллажи или ванны, которые должны выдержать собственный вес образца, обеспечить хороший доступ к нему, обеспечить устойчивость к внешним климатическим и температурным воздействиям, в том числе и агрессивным).

В рамках данного исследования речь пойдет о группе испытаний В, когда испытательное оборудование подготавливается и разрабатывается непосредственно под конкретный эксперимент [8–14]. В таком случае хорошо, если проектирование испытательного стенда происходит с нуля и есть возмож- ность использовать материалы, элементы конструкции и узлы с известными характеристиками. Нередко используются части «старого» оборудования и оснастки при отсутствии полной документации, а также при отсутствии информации о наличии пластических или усталостных повреждений, которые были получены оборудованием на предыдущих этапах эксплуатации. В частности, рассмотрим испытательные установки для определения ползучести бетона, состоящие из стальной рамы, пружинных блоков, центрирующих шарнирных элементов.

Цель работы – обеспечить безопасность и достоверность испытаний с использованием существующих элементов пружинных установок 1980-х гг. под новую нагрузку – до 50 т. Основные элементы, такие как стойки, опорные пластины, резьбовые соединения, можно достаточно просто рассчитать, и обычно в таких установках даже при использовании минимальных расчетных сопротивлений сталей, из которых могли быть сделаны данные элементы, несущей способности для восприятия повышенных нагрузок оказывается достаточно. Крайне важными элементами, вызывающими наибольшее опасение, является набор пружин и элементы, обеспечивающие передачу осевого усилия, состоящие из толстых стальных пластин с выточкой под шарик (такие элементы могут быть либо цельные, либо разборные), стального шарика и ответной части, закрепляемой на образце (рис. 1).

 

Рис. 1. Схема устройства пружинной установки (ГОСТ 24544–2020) для проведения испытаний на ползучесть бетона (a) и рассматриваемые в работе узлы и элементы (b, c): 1 – стойки; 2 – верхняя траверса; 3 – средняя траверса; 4 – нижняя траверса; 5 – гайки; 6 – гидравлический домкрат; 7 – постамент; 8 – спиральная пружина; 9 – бетонный образец; 10 – установочный винт

Fig. 1. Diagram of a spring installation (GOST 24544–2020) for testing concrete creep (a) and the components and elements considered in the work (b, c): 1 – racks; 2 – upper traverse; 3 – middle traverse; 4 – lower traverse; 5 – nuts; 6 – hydraulic jack; 7 – pedestal; 8 – spiral spring; 9 – concrete sample; 10 – setscrew

 

Компьютерное моделирование таких узлов возможно: например, расчет пружин в программном комплексе Ansys хорошо описан в работе [15]. На рис. 2 хорошо видно распределение усилий по пружине, но при отсутствии прочностных и жесткостных параметров пружин достоверно рассчитать такие элементы затруднительно. Узел, состоящий из шарика и ответных частей, посчитать крайне сложно при условии отсутствия всех исходных данных, поскольку при таком расчете крайне важно правильное задание граничных условий на контакте элементов и решение контактной задачи; при отсутствии же исчерпывающих исходных данных достоверно выполнить такие расчеты невозможно в принципе. Отметим, что обследование уникальной испытательной установки для строительных материалов, которая не является ни строительной конструкцией, ни машиной, выполнить в соответствии с имеющимися стандартами (ГОСТ 31937–2011 или ГОСТ ИСО 17359–2009) фактически невозможно. В связи с этим была разработана специальная программа испытаний и подготовлена необходимая оснастка для экспериментального определения прочностных и жесткостных характеристик наиболее ответственных элементов.

 

Рис. 2. Расчет пружин в программном комплексе Ansys

Fig. 2. Calculation of springs in the Ansys software package

 

Материалы и методы

Испытание пружин

В существующей установке по определению ползучести бетона, которую предполагалось испытать под более высокие нагрузки, используется блок из шести пружин (рис. 1). Усилия в данных пружинах возникают одинаковые, хотя на практике при плохой центрировке образца внутри испытательной установки или при неровном основании под установкой усилия в пружинах могут распределяться неравномерно. Поэтому было принято решение проводить испытания одной пружины. Установки разобраны и отобрана серия пружин из четырех образцов. Есть несколько стандартов (ГОСТ 17086–71, ГОСТ 16118–70), в той или иной мере описываю- щих проведение испытаний пружин; испытания проводятся до касания витков, выполняется несколько циклов, замеряется нагрузка и деформации. Непосредственно схема безопасного проведения испытаний, исключающая выстрел пружины при сжатии, отсутствует, поэтому была разработана специальная оснастка, состоящая из двух стальных упорных элементов, блокирующих горизонтальное перемещение пружин и предоставляющих возможность проведения таких испытаний в стандартном прессе. Эти испытания провели на цифровом испытательном оборудовании Instron 1000HDX (рис. 3), позволяющем получить график деформирования пружины под нагрузкой.

 

Рис. 3. Испытание пружин с использованием специальной оснастки

Fig. 3. Testing springs using special equipment

 

Согласно полученным результатам (рис. 4) три пружины показали близкие значения предельной сжимающей нагрузки, одна – явно выпадающее – 82,3, 83,9, 79,8, 68,6 кН. Причем если анализировать графики, видно, что после касания витков (до касания витков пружина находится в рабочем режиме) нагрузка резко возрастает, более чем до 98 кН (дальше испытания не проводились); при этом каких-либо разрушений не происходит. При визуальном контроле процесса нагружения было установлено, что пружина, показавшая наименьшие результаты; была изначально несколько деформирована и перегиб графика с резким возрастанием нагрузки произошел при касании не всех витков между собой, а только нескольких из них. Учитывая данное наблюдение, а также результаты остальных испытаний (средняя нагрузка на блок в рабочем режиме пружин более 490 кН), результаты были признаны удовлетворительными и принято решение оставить существующие пружины. Перед проведением основных испытаний все пружины уже в установках нагружались (с использованием гидравлического домкрата и стальных болванок вместо образцов) тестовой нагрузкой в 540 кН (нагрузка до 440 кН, выдержка 15 мин; нагрузка до 540 кН, выдержка 15 мин; разгрузка). Были проведены такие испытания всех имеющихся 20 установок, при этом в двух из них произошел разрыв пружины, причем в одной установке при нагрузке 295 кН, в другой – при выдержке под нагрузкой 440 кН. После поломки одной пружины оставшиеся в установке пружины восприняли на себя дополнительную несимметричную нагрузку и сохранили свои свойства.

 

Рис. 4. Графики деформирования испытуемых пружин

Fig. 4. Graphs of deformation of the tested springs

 

Был проведен детальный анализ случившейся поломки двух пружин: установки разобраны, визуально в местах разрушения зафиксированы дефекты металла с инородными включениями, трещины вдоль витков; проведены детальные лабораторные исследования металла пружин в зоне разрушения (рис. 5) – фрактографический анализ, измерение твердости основного металла, исследование макрошлифа, определение химического состава металла. Фрактографический анализ, выполненный при помощи комплекса программно-аппаратного анализа микроструктуры Thixomet, показал, что излом по природе своей хрупкий и мелкозернистый, присутствуют радиальные рубцы продвижения трещины, это говорит об усталостном характере разрушения. Остальные параметры стали пружины (химический состав, твердость) в пределах нормируемых значений. После проведенного анализа было выполнено повторное обследование всех пружин установок на предмет наличия внешних дефектов, которые могут свидетельствовать об усталостных повреждениях. Пружины с забоинами и другими внешними дефектами заменялись.

 

Рис. 5. Поврежденная пружина и исследование ее макроструктуры

Fig. 5. Damaged spring and study of its macrostructure

 

Испытание шарнирных узлов

Существующие элементы, обеспечивающие шарнирное соединение образца и пружинной установки для передачи осевой нагрузки и приведены на рис. 1, b. Данный элемент выполнен в сборно-разборном виде – к круглой пластине толщиной 50 мм на винтах прикручен центрирующий элемент «ложе» под шарик диаметром 20 мм с выточкой. На образце предполагается ответная часть аналогичной конструкции. При испытании данного элемента на сжатие с шариком произошло разрушение «ложа» при нагрузке всего 245 кН. Разрушение произошло хрупко с взрывным высвобождением энергии, а также с формированием хрупкого излома по трем направлениям (рис. 6). Очевидно, что использование в испытательной установке хрупких сталей недопустимо ввиду опасности внезапного взрывного разрушения.

 

Рис. 6. Испытание существующего (a) и разработка нового опорного шарнирного элемента (b)

Fig. 6. Testing of existing (a) and development of new reference hinge element (b)

 

Результаты и обсуждение

Испытание пружин

По результатам лабораторных исследований образцов поврежденных пружин обнаруженные дефекты металла были идентифицированы и определены причины их появления:

• излом по природе своей хрупкий и преимущественно мелкозернистый;
• очагом разрушения послужил внутренний дефект в виде трещины напряжения согласно ГОСТ 21014–88, которая образовалась вследствие напряжений, связанных со структурными превращениями или неравномерным нагревом и охлаждением при изготовлении. Трещина прошла под прямым углом к поверхности по радиусу пружины по всему телу витка. Присутствуют радиальные рубцы про- движения трещины, что говорит об усталостном характере разрушения;
• обнаружена деградация структуры по внешней поверхности на глубину примерно 300 мкм в виде укрупненного зерна, которая также возникла при нарушениях технологии охлаждения (при производстве или термической обработке) и способствовала продвижению трещины;
• в месте старта трещины обнаружены следы побежалости (желто-синевато-серого цвета окисная пленка), что говорит о неверно проведенном охлаждении металла. Трещины (из-за внутренних напряжений под углом 90^о к очагу образовалась еще одна трещина) продвигались от очага по радиане и сошлись на гребне, где и произошел долом;
• небольшие участки притертости, обнаруженные вблизи гребня долома, также свидетельствуют об усталостном разрушении и радиальном сдвиге металла.

Учитывая факт, что испытания по определению ползучести бетона не предполагают большого количества циклических нагрузок, а также нагрузки существенно меньше прочности образцов (образец плавно загружается и держится под нагрузкой не менее полугода), допускается возможность, что пружины изначально не были новыми при комплектации установок и с большой вероятностью они были сняты из другого механизма. Получается, что накопление усталостных деформаций повлияло только на уже бракованные пружины и брак этот проявился при высоких нагрузках. Это означает возможность использования существующих установок с целыми пружинами при дополнительных мерах предосторожности.

Испытание шарнирных узлов

По результатам проведенного испытания, анализируя характер разрушения, было принято решение полностью заменить все опорные шарнирные элементы (и нижние и верхние) под образец с изменением конструкции с глубокой посадкой шарика (более трети диаметра – рис. 6); ответную часть, которая крепится на образец, оставить сходной с существующей конструкции, но выполнить в цельном исполнении из пластичного металла, предварительно с меньшим диаметром выточки для последующего обжатия нагрузкой, значительно превышающей испытательную. Такая процедура позволила, с одной стороны обеспечить максимально плотный контакт шарика и сферической выточки под него, с другой – гарантировать безопасность проведения эксперимента, поскольку обжатию подлежали 100% элементов. На рис. 7 шарнирный элемент под образец приведен в процессе изготовления, до и после обжатия (данный образец обжимался шаром большего диаметра – Ø40 мм, с целью определения резервов пластичности элемента; для испытаний экспериментально были подобраны шары Ø35 мм). Также использование ответных частей шарнирного узла с выточками разной глубины позволило упростить подбор проставок под образец. Это важно, поскольку проставки обеспечивают возможность провести испытание образцов различной длины на одной и той же установке без ее полной разборки.

 

Рис. 7. Обжатие шариком ответного шарнирного элемента, закрепляемого к образцу

Fig. 7. Compression of the counter hinge element attached to the sample with a ball

 

Разработка системы проставок под образец

Как было изложено ранее, для возможности испытаний образцов разной длины без полной разборки рамы (с сохранением внутреннего габарита между опорными пластинами, куда помещается образец) была разработана модульная система стальных проставок, с одной стороны, позволяющая безопасно проводить испытания (невозможность горизонтального смещения одной проставки относительно другой), а с другой – набрать любую высоту с точностью до 5 мм, имея всего четыре высотных типоразмера проставки; этого удалось достичь, подобрав следующие размеры высоты проставок: 110; 50; 45; 40 мм при высоте новой шарнирной части 30 мм (рис. 8).

 

Рис. 8. Проведение испытаний по определению ползучести бетона на различных образцах с использованием системы проставок

Fig. 8. Carrying out tests to determine the creep of concrete on various samples using a spacer system

 

Выводы

Проведенная работа по определению фактической несущей способности узлов и элементов подтвердила возможность использовать имеющееся оборудование с существенными доработками узлов. Важным результатом работы является предложенная система двойного экспериментального контроля, когда вначале проводится выборочное испытание отдельных элементов для оценки возможных уровней нагрузок на оборудование, а затем проводится сплошной контроль уже собранных испытательных установок на большие относительно планируемого эксперимента нагрузки. Только в таком случае возможно одновременно обеспечить высокую достоверность получаемых при испытании результатов, надежность и долговечность оборудования. Причем провести такую работу только численно, без испытаний невозможно. Для безопасности персонала в любом случае рекомендуется обеспечить физическую защиту во время снятия показаний и обслуживания установок. В рамках данной работы для обеспечения безопасности при разработке новых шарнирных упорных элементов выточки выполнялись под определенный диаметр шара, с погружением этого шара более чем на одну треть его диаметра, ответные части – оголовки бетонных образцов, выполненные из мягкого металла, предварительно обжимались на прессе через шарик под большую нагрузку для обеспечения точного контакта. Это позволило, с одной стороны, легко проводить установку образцов, а с другой – обеспечить безопасность и исключить «выстрел» шарика. Разработанные модульные проставки позволили испытывать на существующих установках без их разбора образцы любой длины. Несмотря на проведенные испытания всех пружинных блоков, дополнительно под каждый блок была разработана и смонтирована защита по кругу в виде стального листа, которая легко снимается при необходимости обслуживания установок (рис. 8). Все вместе позволило частично использовать существующее оборудование и проводить на нем испытания высокопрочных бетонов с использованием больших призм (150×150×600 мм), а также нестандартных моделей сталежелезобетонных конструкций.

About the authors

P. D. Arleninov

Research Institute of Concrete and Reinforced Concrete named after A.A. Gvozdev (NIIZHB), JSC “Research Center of Construction”; National Research Moscow State University of Civil Engineering

Author for correspondence.
Email: niizhb_lab8@mail.ru

Candidate of Sciences (Engineering)

Russian Federation, Moscow; Moscow

S. B. Krylov

Research Institute of Concrete and Reinforced Concrete named after A.A. Gvozdev (NIIZHB), JSC “Research Center of Construction”

Email: niizhb_lab8@mail.ru

Doctor of Sciences (Engineering)

Russian Federation, Moscow

D. V. Konin

Central Research Institute of Building Structures named after. V.A. Kucherenko (TSNIISK), JSC “Research Center of Construction”

Email: niizhb_lab8@mail.ru

Candidate of Sciences (Engineering)

Russian Federation, Moscow

V. A. Neschadimov

National Research Moscow State University of Civil Engineering

Email: niizhb_lab8@mail.ru

Candidate of Sciences (Engineering)

Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files