Лекция 20
1. Общие понятия
При испытаниях конструкций обследуемых сооружений динамической нагрузкой (ДН) исследования проводятся по двум направлениям:
§ определяют реакцию конструкции на заданное воздействие с целью установления её напряженно-деформированного состояния при динамических воздействиях;
§ оценивают состояние конструкции и её действительную схему работы, используя при этом динамические испытания в режиме собственных или вынужденных колебаний.
Вопросы научного эксперимента при создании ДН весьма разнообразны. Однако все они в той или иной мере сводятся к решению 4-х главных задач:
1. исследование влияния ДН на прочностные и деформативные характеристики строительных материалов;
2. экспериментальная проверка новой методики расчёта конструкции на динамические воздействия;
3. исследование статистических параметров динамических воздействий;
4. совершенствование методики динамических испытаний.
При обследовании эксплуатируемых сооружений, на конструкции которых действует ДН, экспериментальные исследования, как правило, проводятся в условиях действия эксплуатационной нагрузки. При этом задачей исследования является регистрация параметров, которые определяют работу конструкции под нагрузкой и сравнение их с допускаемыми параметрами.
Сравнение экспериментальных значений динамических деформаций и перемещений с нормируемыми даёт возможность проверить условия эксплуатации СК. В отличие от требований, предъявляемых к конструкциям, воспринимающим только статическую нагрузку, при исследовании динамики сооружения необходимо не только оценить его работу по предельным состояниям, но и проверить соблюдение условий, специфических для эксплуатации конструкций, подверженных колебаниям.
Как известно, колебания оказывают на человека отрицательное воздействие и могут вызвать тяжёлые физиологические расстройства. Нормативные документы устанавливают предельно-допустимые значения параметров динамических колебаний (вибраций), вредных для человека. Основными критериями оценки вибраций являются их амплитуды и частоты. При установлении предельных величин динамических колебаний нормами учитывается также продолжительность их воздействия.
Жёсткие требования по допустимому уровню вибраций предъявляются к промышленным и гражданским зданиям, в которых используется оборудование и приборы, чувствительные к вибрациям. К ним относятся здания медицинских учреждений, промышленные сооружения оптико-механической и электронной отраслей и т.д. В этих зданиях необходимо проведение специальных мероприятий по уменьшению вибраций, которые могут быть успешно осуществлены только при наличии информации (полученной в ходе обследования и испытания сооружения) о параметрах вибраций при динамических испытаниях эксплуатационной нагрузкой.
Перечислим типичные, наиболее часто встречающиеся виды воздействий, при которых проводятся динамические испытания эксплуатационной нагрузкой:
§ вибрационная нагрузка, создаваемая работой механизмов с неуравновешенной массой (например: от компрессоров, станков, вибростолов и пр.);
§ динамическая составляющая ветровой нагрузки, которая вводится в расчёт высотных сооружений (мачты, дымовые трубы) и многоэтажных зданий и пр.;
§ ударная нагрузка от действия копров, молотов и т. д.;
§ подвижная нагрузка от транспорта, мостовых кранов и т. д.
Основной задачей проведения динамических испытаний является получение параметров, позволяющих дать оценку конструктивным динамическим свойствам сооружения. Для этого проводят пробные испытания ударной нагрузкой с регистрацией и последующей обработкой записи собственных колебаний конструкции. Пробные испытания в режиме собственных колебаний могут быть проведены с использованием простейших приборов для записи колебаний.
В динамических испытаниях эксплуатационной нагрузкой используются более сложные приборы для получения и обработки информации. Планируя эксперимент, следует стремиться к минимальному числу используемых приборов и располагать их в наиболее ответственных сечениях.
В большинстве случаев оценка параметров вибрации проводится на основании сравнения их с предельно-допустимыми из условий обеспечения нормальной жизнедеятельности людей и работы технологического оборудования, т.е. рассматриваются колебания низкого уровня, которые не оказывают влияния на несущую способность и трещиностойкость конструкции.
В том случае, когда динамические перемещения и деформации велики и когда при обследовании обнаружены повреждения несущих элементов и в то же время отсутствуют ограничения на вибрацию, связанные с обеспечением технологического режима, задачи обследования значительно усложняются, потому что прочностные свойства конструкции определяются явлениями усталостного характера. Постепенное накопление повреждений, вызванное периодически повторяющимися нагрузками для различных материалов проявляются по разному.
Долговечность реальных конструкций, работающих в условиях многократно повторяющейся нагрузки, связана с выносливостью конкретного строительного материала и особенностями НДС в исследуемой области конструкции. Достоверный прогноз безотказной работы конструкции может быть основан только на экспериментальных данных.
2. Испытания конструкций и сооружений искусственно создаваемой вибрационной нагрузкой
В процессе вибрационных испытаний деформации и перемещения в различных точках конструкции изменяются во времени по гармоническому закону. Различают испытания в режиме собственных и вынужденных колебаний.
Испытания СК в режиме собственных колебаний в натурных условиях воспроизводятся значительно проще. Испытания в режиме вынужденных колебаний сложнее в исполнении, но ценнее, информативнее по своим результатам.
Вынужденные колебания создаются в околорезонансных режимах и обеспечивают исследование различных форм колебаний, в том числе пространственных. Характерной особенностью резонансных испытаний является возможность создания больших динамических деформаций и перемещений в элементах конструкции.
При натурных вибрационных испытаниях определяют следующие основные параметры: форму, частоту и декремент колебаний конструкции.
При исследовании влияния вибраций на прочностные свойства материалов, элементов и соединений в качестве исходных параметров ДН используют коэффициент асимметрии цикла, среднее и амплитудное значение цикла.
Поведение конструкции характеризуется бесконечно большим числом форм колебаний, т.к. реальные системы обладают бесконечно большим числом степеней свободы. Однако практическое значение имеют лишь первые две-три формы, отвечающие по своим частотам характеристикам действующих нагрузок.
Различные формы колебаний наблюдаются при совпадении частоты возмущающей силы с частотой собственных колебаний по соответствующей форме. Частота колебаний 
измеряется в герцах (Гц) и связана с периодом колебаний 
.
В ходе вибрационных испытаний возможно решение следующих задач:
§ определение динамического коэффициента для воздействий с известными динамическими характеристиками;
§ определение состояния несущих конструкций эксплуатируемых сооружений;
§ определение упругих динамических характеристик строительных материалов;
§ неразрушающий заводской контроль качества строительных изделий;
§ определение влияния циклического нагружения на снижение прочностных свойств материалов и конструкций (предел выносливости, малоцикловая усталость).
Испытания по определению динамического коэффициента установившихся вынужденных колебаний проводятся в случаях, когда на конструкцию предполагается установка агрегатов, создающих динамические воздействия.
По результатам вибрационных испытаний проводится расчёт динамических напряжений и перемещений конструкций на действие вибрационной нагрузки от предусмотренного проектом оборудования. Если рассчитанные параметры выше допускаемых, необходимо разработать инженерное решение по улучшению динамических характеристик конструкции.
Для снижения уровня вибрации конструкции возможны два варианта решения, которые могут быть осуществлены:
1 – путём изменения параметров ДН на конструкцию;
2 – путём изменения параметров самой конструкции.
Для реализации первого варианта решения существуют следующие способы:
§ изменение частоты ДН;
§ изменение проектного положения агрегата на перекрытии (например при вертикальной ДН размещать агрегат следует ближе к приопорной зоне перекрытия; при горизонтальной ДН - вдоль балок перекрытия);
§ динамическая балансировка вращающейся части механизма со смещением относительно оси вращения центром массы (осуществляется закреплением дополнительной массы на вращающейся части для полного или частичного погашения динамического усилия);
§ активная виброизоляция агрегата путём уменьшения динамической составляющей воздействия на перекрытие.
Изменение параметров конструкции для реализации второго варианта решения проводится с учётом влияния этих параметров на частоты свободных колебаний и вывода системы из резонансной области при воздействии гармонической ДН.
Влияние на частоту свободных колебаний конструкции обеспечивается:
§ изменением её конструктивной схемы, т.е. введением связей, пересмотром конструктивного решения опорных узлов, уменьшением пролёта при введении дополнительных опор;
§ изменением жёсткости конструкции за счёт трансформации поперечного сечения элементов;
§ устройством постамента под агрегат, который в зависимости от необходимого уменьшения или увеличения частоты может быть запроектирован массивным без прочной связи с конструкцией, либо лёгким и жёстким, прочно прикрепляемым к перекрытию.
При разработке конструктивных решений по уменьшению вибраций необходимо учитывать, что уменьшение частоты свободных колебаний конструкции всегда сопровождается увеличением прогибов и напряжений в ней, вызванных статической нагрузкой. В связи с этим требуется проведение дополнительного статического расчёта.