Experimentální mechanika

Transkript

1 Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava

2 Zjišťujeme parametry nových typů materiálů a konstrukcí

3 Testujeme a monitorujeme stávající konstrukce

4 Důvody pro experimentální zkoušení Nové konstrukce před uvedením do provozu Posouzení spolehlivosti (neznalost všech parametrů, typy a vlastnosti materiálů) Ověřování poškozených konstrukcí Zjišťování vstupních parametrů modelů Ověření funkčnostni výpočetního modelu Problematika dynamického zatížení Zkoumání vlivu speciálního zatížení (odezva různých tvarů na zatížení větrem, výbuch,...) Diagnostika konstrukce Monitoring

5 Typy zatěžovacích zkoušek Z hlediska účelu Průkazní zkoušky - prototypové, ověření spolehlivosti před zahájením výroby Kontrolní zkoušky - spolehlivost v průběhu nebo po dokončení výroby Ostatní (studijní, přejímací, úřední,...)

6 Normy pro experimentální zkoušení Vycházet můžeme z norem pro navrhování stavebních konstrukcí (Eurocody) Poskytují základní požadavky a na konstrukce a materiály Eurocody také dovolují navrhovat na základě zkoušek!!! Pro většinu v současnosti používaných materiálů existuje velké množství zkušebních norem (ČSN EN ISO... ) Pro konstrukce jsou to například ČSN Zatěžovací zkoušky stavebních konstrukcí, ČSN Dynamické zkoušky stavebních konstrukcí Normy poskytují jen základní návod a vyhodnocení (neříkají jaké zařízení či metodu použít)

7 Zkoušení z hlediska proměnlivosti zatížení Statické zatížení - krátkodobé Statické zatížení nevyvozuje v konstrukci významná zrychlení Statické zatížená nevyvolávají významnou dynamickou odezvu konstrukce (kmitání, únava) Z hlediska norem pro navrhování konstrukcí jsou všechna zatížení považováná za statická Vliv dynamického zatížení se u běžný konstrukcí zohledňuje pomocí použitými modely zatížení Především zvětšenými charakteristikými hodnotami nebo dynamickými součiniteli, které zvyšují charakteristické zatížení Při možnosti významného ovlivnění je nutné provézt dynamickou analýzu

8 Zkoušení z hlediska proměnlivosti zatížení Statické zatížení - dlouhodobé Především studium chování použitého materiálu v čase Většinou mluvíme o tzv. reologickém chování (pantha rhei - vše plyne) Z dlouhodobého hlediska se dá říci, že vše se vlivem zatížení neustále přetváří U stavebních konstrukcí mluvíme o dotvarování Přetvoření vzniklá za dlouhý časový úsek se nepovažují za vratná

9 Zkoušení z hlediska proměnlivosti zatížení Statické zatížení - dlouhodobé

10 Zkoušení z hlediska proměnlivosti zatížení Dynamické zatížení - krátkodobé Dynamické zatížení vyvolává v konstrukci významná zrychlení Mohou neúměrně zvyšovat účinek statických zatížení Odezva konstrukce není závislá pouze na tuhosti (E,I), ale především na časovém průběhu U dynamických zatížení můžeme rozlišit několik typů

11 Zkoušení z hlediska proměnlivosti zatížení Dynamické zatížení - dlouhodobé Vlastnosti se mohou být stejné jako u krátkodobého zatížení Dlouhodobé dynamické zatížení nemusí v konstrukci vyvolávat výrazná zrychlení Nemusí také v globálním měřítku konstrukce způsobovat výrazné zvýšení napětí Problémem dlouhodobých dynamický účinků je především ÚNAVA MATERIÁLU

12 Zkoušení z hlediska proměnlivosti zatížení Deterministické dynamické zatížení harmonické - konstantní amplituda(vibrační zařízení) neharmonické - proměnná amplituda impulz - rázově se opakující

13 Zkoušení z hlediska proměnlivosti zatížení Stochastické dynamické zatížení Dynamická zatížení jejich velikost, směr a frekvence je závislá na náhodě. Snažíme se je vyjádřit pomocí teorie pravděpodobnosti Zatížení větrem - výrazně náhodný charakter ( v EC se počítá s extrémními účinky) Zatížení dopravou - žádný dopravní prostředek není stejný (hmotnost, rychlost, tuhost tlumičů,...) Seismická zatížení - nepředpovídatelné amplitudy Při zkoušení prvků a konstrukcí je možno náhodná zatížení vytvořit pouze omezeně Stochastická zatížení jsou popisována pravděpodobnostně

14 Zkoušení z hlediska proměnlivosti zatížení Mezní hodnoty pro zatížení a deformace Určující jsou normy pro navrhování stavebních konstrukcí a zákony určující požadavky na výrobky Především je nutné, aby konstrukce plnila bezpečně a spolehlivě svůj účel Mezní stavy únosnosti jsou nutné z pohledu bezpečnosti a zatížitelnosti U statických zatížení jsme omezeni maximálními průhyby a deformacemi (obvykle jich dosáhnéme dříve než meze únosnosti) Dynamická zatížení se různí pro různé konstrukce (lávky max. zrychlení 0,7m/s), Omezení platí pro maximální frekvence a také vyhnutí se frekvencím bĺızkým vlastním frekvencím konstrukce

15 Zkoušení z hlediska proměnlivosti zatížení Dynamická zatížení

16 Zkoušení z hlediska proměnlivosti zatížení Zatížení zvláštního typu Jedná se o zatížení, která nepůsobí silově avšak vyvolávají změny v napjatosti nebo ve vlastnostech materiálu Zatížení požárem (teplotou) - může mít charakter časově něměnný nebo proměnlivý Zatížení chemickými vlivy - koroze všeho druhu

17 Možnosti zatěžování v experimentálním zkoušení Krátkodobé statické testy Nejběžnější typ zkoušení - probíhá v řádu sekund až několika hodin Veškeré zkoušky pro zjišťování materiálových parametrů Testování únosnosti nových prvků a konstrukcí U stavebních materiálů se zvýšená rychlost obvykle projeví pozitivně na velikost dosažené síly Je vhodné zkoušení provádět v několika pomalých cyklech s mezivýdrží na určitém zatížení o odtížením

18 Možnosti zatěžování v experimentálním zkoušení Krátkodobé statické testy Při laboratorních testech se využívá nejčastěji hydraulických nebo mechanických zařízení Zatěžování může probíhat jak pomocí síly, tak pomocí deformace (přístroj v reálu vždy pracuje s deformací) Časový průběh může probíhat velmi pomalu až do 0,001mm/s (nebo v N/s) až do desítek mm/s respektive desítek kn/s Vzhledem k velmi velkým tíhám strojů a nadměrnému zatížení, které vyvozují je nutné mít zařízení kvalitně podepřené a zakotvené

19 Možnosti zatěžování v experimentálním zkoušení Standartdní laboratorní lisy

20 Možnosti zatěžování v experimentálním zkoušení Víceúčelové a vícesměrné zařízení

21 Možnosti zatěžování v experimentálním zkoušení Speciální zařízení Velké laboratoře často vlastní velmi atypická zařízení (dosahování větších sil, vysoká tuhost, velká rozpětí)

22 Možnosti zatěžování v experimentálním zkoušení Speciální zařízení

23 Možnosti zatěžování v experimentálním zkoušení Krátkodobé statické testy Testování reálných konstrukcí nebo prvků velkých rozměrů probíhá obvykle v místě stavby Zatížení bývá vyvozováno násypem materiálu, naloženými auty či vlaky Měření se provádí najednou mnoha způsoby (zisk co největšího počtu dat) Při testování velkých konstrukcí (mosty, předpjaté prvky) je potřeba vyvinou extrémní zatížení pro vyvolání větších měřitelných deformací

24 Možnosti zatěžování v experimentálním zkoušení Zatěžování mostu

25 Možnosti zatěžování v experimentálním zkoušení Dlouhodobé statické testy Zkoušení probíhá v řádech několika dnů až několika let Nevyužívá se konvenčních laboratorních zařízení Zatížení bývá vyvozeno jednoduchými mechanizmy (utahování závitových zařízení) Často se využívá zatížení pomocí materiálu o známé a neměnné objemové hmotnosti Celé konstrukce se takto zkoušejí vyjímečně - častěji se provádí zkoušení jednotilvýh materiálů Snahou je najít funkční závislost pro chování v čase

26 Možnosti zatěžování v experimentálním zkoušení Dlouhodobé statické testy

27 Možnosti zatěžování v experimentálním zkoušení Krátkodobé dynamické zkoušky Dynamické zkoušení nebývá zcela běžné Je potřeba mít k dispozici zařízení schopné vytvářet kmitavé zatěžování Technicky lze vyvodit pouze harmonické deterministické kmity Krátkodobé zkoušky se provádě s malým počtem půlzů s poměrně velkou amplitudou V některých případech se vyvozují krátkodobé impulzy (výbuch, úder, výstřel, prudké vychýlení)

28 Možnosti zatěžování v experimentálním zkoušení Krátkodobé dynamické zkoušky

29 Možnosti zatěžování v experimentálním zkoušení Krátkodobé dynamické zkoušky

30 Možnosti zatěžování v experimentálním zkoušení Dlouhodobé dynamické zkoušky Provádí se zejména pro stanovení únavových vlastností Obvykle se jedná o zkoušení atypických tvarů, spojů a svarů Únavové vlastnosti velmi často souvisí lomovou mechanikou (nárůst napětí v okoĺı trhliny) Při únavovém namáhání obvykle nedochází ke globálnímu zatížení na úrovni maximální únosnosti Testování probíhá pomocí rezonátorů vyvíjejících kmitavé zatížení s vysokou frekvencí (10Hz) Výsledkem jsou tzv. Wohlerovy křivky

31 Možnosti zatěžování v experimentálním zkoušení Wohlerova křivka

32 Možnosti zatěžování v experimentálním zkoušení Speciální možnosti zatěžování V případě atypických tvarů velkých konstrukcí se ověřuje působení větru Štíhlé vysoké, nebo dlouhé konstrukce mají problém při obtékání vzduchem Tyto konstrukce se testují na zmenšených modelev ve větrném tunelu Sleduje se celková odezva a vznik nepříznivých kmitů či výchyle

33 Možnosti zatěžování v experimentálním zkoušení Výšková budova ve větrném tunelu

34 Možnosti zatěžování v experimentálním zkoušení Zatížení teplem nebo požárem Požární odolnost je jedním z požadavků pro bezpečnost především u občanských staveb U konstručních materiálů a prvku musí být zkoušeno chování za požáru Beton ztrácí postupně přichází o svou únosnost až do cca 600 C kde kolabuje Ocel ztrácí únosnost nad 400 C jelikož měkne a stává se tvárnou Dřevo má paradoxně nejlepší požární vlastnosti, průřez sice hoří, avšak nezhořelé dřevo má stále stejnou únosnost vyjímečně se na konstrukcí provádějí komplexní požární zkoušky

35 Možnosti zatěžování v experimentálním zkoušení Zatížení teplem nebo požárem

36 Možnosti zatěžování v experimentálním zkoušení Zatížení teplem nebo požárem

37 Měření při vyjímečných situacích a monitorování Vyjímečné situace Pokud dojde k poškození konstrukce nebo vznikají nepředpokládáné deformace, či zatížení Provádí se měření přímo na konstrukci Sledují se aktivní pohyby konstrukce, probíhá zaměření konstrukce vůči původnímu stavu Cílem je vyhodnotit okamžitý stav, získat informaci o chování konstrukce případně určit míru nebezpečí U mostních konstrukcí například při průjezdu nadměrného nákladu

38 Me r enı pr i vyjı mec ny ch situacı ch a monitorova nı Me r enı pr i nadme rne m na kladu Experimenta lnı mechanika

39 Měření při vyjímečných situacích a monitorování Monitorování konstrukcí Veškerá důležitá inženýrská díla jsou pod častým dohledem (mosty, tunely, velké konstrukce sportovních hal, přehrady) Vzhledem k jejich důležitosti je potřeba neustále mít informaci o jejich stavu Sledují se posuny podpor, deformace vlivem teploty, deformace od posunů okolního terénu, vlivy poddolování, šíření únavových trhlin Při překročení dovolených limitů je nutné provézt zásah proti dalšímu přetváření

40 Měření při vyjímečných situacích a monitorování Monitorování konstrukcí

41 Me r enı pr i vyjı mec ny ch situacı ch a monitorova nı Monitorova nı konstrukcı Experimenta lnı mechanika

42 Děkuji za pozornost