Badania doświadczalne w mechanice konstrukcji jako planowany proces

GLINICKA Aniela 1 Badania doświadczalne w mechanice konstrukcji jako planowany proces WSTĘP Badania doświadczalne w mechanice konstrukcji, jak i w innych dziedzinach wiedzy, są konkretnie planowanym procesem, którego przebieg przedstawiono i przeanalizowano w niniejszej pracy. Wybranym przykładem, na którym zilustrowano istotę procesu eksperymentu są badania własne autorki dotyczące nośności i odkształcalności cienkościennych belek stalowych wypełnionych betonem lekkim [2]. Ponadto omówiono wybrane współczesne badania doświadczalne prowadzone w ramach konstrukcji metalowych i zespolonych, aby zilustrować złoŝoność problemu eksperymentu. 1. EKSPERYMENT JAKO PROCES Badania doświadczalne w mechanice, jak i w innej dziedzinie wiedzy, są zawsze poprzedzone studiami teoretycznymi i są prowadzone w określonym celu lub w określonych celach. Przed przystąpieniem do eksperymentów złoŝonych naleŝy poznać nowe kierunki badań i nowe wyniki badań w danej dziedzinie wiedzy. Badania prowadzi się po to, aby: dokonać odkrycia nowej cechy fizycznej materiału lub nowego zjawiska zachodzącego w pracującej konstrukcji, potwierdzić nowe rozwiązanie teoretyczne zagadnienia, otrzymać wyniki na reprezentatywnej grupie próbek lub elementów potrzebne do dalszego wykorzystania, poznać cechy mechaniczne materiałów stosowanych w badanych konstrukcjach, poznać cechy mechaniczne nowych materiałów, otrzymać wyniki na potrzeby obliczeń metody elementów skończonych (zarówno do otrzymania danych, które podstawia się przed rozpoczęciem obliczeń programem numerycznym jak i do weryfikacji obliczeń MES), otrzymać wyniki na potrzeby nadzoru budowlanego do dobrego utrzymania konstrukcji (monitoring), otrzymać wyniki na potrzeby norm przedmiotowych (zwłaszcza wartości współczynników uŝywanych do obliczeń we wzorach ), symulować zachodzące zjawisko fizyczne na odpowiednich elementach w warunkach zbliŝonych do rzeczywistych, jeśli niemoŝliwy jest eksperyment na obiekcie rzeczywistym, wykonywać badania nieniszczące, wykonywać badania modelowe z zastosowaniem odpowiedniej skali, uzyskać wyniki badań próbek, jeśli badania na rzeczywistych obiektach są bardzo złoŝone lub niemoŝliwe, uzyskać wyniki badań elementów skomplikowanych pod względem konstrukcyjnym, otrzymać wyniki badań elementów, wówczas gdy ich opis teoretyczny jest trudny, otrzymywać wyniki pomiarów próbek w środowiskach odmiennych od typowych np. w wysokich temperaturach, w mediach agresywnych, w wodzie, przetestować nowe techniki pomiarowe i nowe maszyny wytrzymałościowe istotnie poszerzające dotychczasowe zbiory wyników. 1 Politechnika Warszawska, Wydział InŜynierii Lądowej, Instytut InŜynierii Budowlanej, 00-637 Warszawa, ul. Armii Ludowej 16, Tel. +48 22 234-65-14, A.Glinicka@il.pw.edu.pl 1993

Droga, którą trzeba pokonać, Ŝeby dojść do eksperymentu zasadniczego jest pokazana na rysunku 1; rozpoczyna się ona od zdobycia wiedzy teoretycznej w danych obszarze wiedzy, a kończy na opracowaniu wyników badań. Wiedza teoretyczna w obszarze badań Sformułowanie celów badań Zaplanowanie eksperymentów i zakup materiałów oraz wyrobów Stanowiska badawcze w maszynach wytrzymałościowych oraz dobór urządzeń pomiarowych Badania zasadnicze na modelach lub na elementach konstrukcji (róŝne warianty elementów konstrukcji) Badania pomocnicze, tzn. badania materiałowe oraz elementów próbnych Pomiary; rejestracja wyników Opracowanie wyników badań Rys. 1. Schemat przebiegu procesu tworzenia eksperymentu [rysunek własny] Opracowanie wyników badań zwykle jest usystematyzowane i określany jest błąd pomiarowy [1, 5] Wyniki badań są opracowywane z zastosowaniem róŝnych sposobów matematycznych. Ponadto powinny być one przedstawione w formie praktycznej dla odbiorców. Materiały na próbki i modele oraz szczególne urządzenia pomiarowe są często dobierane do pojedynczego eksperymentu [3]. 2. PRZYKŁAD PROCESU BADAŃ DOŚWIADCZALNYCH BELEK ZESPOLONYCH PoniŜej opisano proces badawczy zastosowany w pracy [1] autorki. Dotyczy on odkształcalności belek stalowych cienkościennych giętych i belek stalowych cienkościennych giętych wypełnionych betonem lekkim z włóknami ze szkła cyrkonowego. Na rysunkach 2 i 3 przedstawiono schematycznie przebieg dwóch części procesu związanego z badaniami badań doświadczalnymi. 1994

Wiedza o konstrukcjach typu stal - beton Mechanika prętów cienkościennych i zespolonych Metody obliczeń prętów cienkościennych Normy dotyczące konstrukcji zespolonych Zagadnienia pokrewne Braki i ograniczenia oraz nowości w wiedzy. MoŜliwości badań. Sformułowanie celów badań Rys. 2. Schemat przebiegu procesu poprzedzającego sformułowanie celów badań [rysunek własny] Plan eksperymentów Badania materiałowe stali i betonu z włóknami Przygotowanie 2-ch stanowisk badawczych Badania belek stalowych i wypełnionych betonem Opracowanie wyników pomiarów materiałów Pomiary i opracowanie wyników Analiza wyników badań wariantowanych modeli Symulacja MES Dyskusja rezultatów i kierunki dalszych prac Rys. 3. Schemat przebiegu procesu wykonywania badań i ich opracowywania [rysunek własny] Zaprojektowano i przeprowadzono w laboratorium badania eksperymentalne serii modeli fizycznych cienkościennych belek stalowych z rdzeniem z betonu lekkiego oraz takich samych belek bez rdzenia Poddano je obciąŝeniu wzrastającemu, w sposób statyczny, od zera do wartości niszczących. Obudowy nośne ukształtowano z cienkiej blachy stalowej o grubości 0,5 mm poprzez jej wygięcie na zimno. Miały one następujące kształty: rury prostokątnej, ceownika półzamkniętego i ceownika. Kilka spośród nich wypełniono lekkim betonem ze zbrojeniem rozproszonym włóknami ze szkła cyrkonowego. Rdzeń betonowy został zespolony z kształtownikiem stalowym przez adhezję. Nie stosowano dodatkowych łączników. W ten sposób powstała klasa elementów niestandardowych. Zastosowane trzy kształty obudów stalowych (w kształcie prostokątnej rury zamkniętej, w kształcie ceownika półzamkniętego i w kształcie ceownika) wypełniono betonem lekkim. W ten sposób zróŝnicowano obszary połączenia stali z betonem. Badania zasadnicze przeprowadzono na dwóch stanowiskach; tzn. na takim, gdzie było wyeksponowane zginanie belek, co pokazano na rysunku 4 oraz takim, gdzie było wyeksponowane ścinanie belek, co pokazano na rysunku 5. 1995

a) P/2 P/2 α α β β l/3 l/6 l/6 l/6 l/6 b) P P P P P P P h b b b b b b b Rys. 4. Stanowisko badawcze 1: a) schemat statyczny belek na stanowisku do badań eksponującym zginanie, b) przekroje poprzeczne belek stalowych i stalowych z rdzeniem [rysunek własny] a) (3/4)P (1/4)P α β γ α β γ l/3 l/6 l/6 l/6 l/6 b) P P P P P h b b b b b Rys. 5. Stanowisko badawcze 2: a) schemat statyczny belek na stanowisku do badań eksponującym ścinanie, b) przekroje poprzeczne belek stalowych i stalowych z rdzeniem [rysunek własny] Na pierwszym stanowisku badawczym moment zginający jest jednego znaku; a więc dolne włókna belek są rozciągane, a górne ściskane. Na drugim stanowisku moment zginający przyjmuje znak plus na przęśle i znak minus na podporze, więc część rozciągana betonowego rdzenia znajduje się odpowiednio w dolnej i w górnej strefie. Na fotografii 6 przedstawiono belki stalowo - betonowe na pierwszym stanowisku badawczym. 1996

a) b) Fot. 6. Belki cienkościenne wypełnione betonem lekkim na pierwszym stanowisku badawczym: a) obudowa o kształcie rury prostokątnej, b) obudowa o kształcie ceowym [fotografia własna] Wymiary belek były: l=1350 mm, b=60 mm, h=100 mm. (w kolejności wymieniono: długość, szerokość i wysokość przekroju poprzecznego). Przy rosnących siłach P wykonano pomiary: odkształceń, ugięć i kątów skręcenia w miarodajnych przekrojach. Łącznie przebadano 12 modeli zasadniczych. Badania zasadnicze poprzedzono badaniami materiałów stosowanej na modele zasadnicze stali (wykonano próby osiowego rozciągania) i uŝytego betonu lekkiego z włóknami (wykonano próby ściskania). Przeprowadzono teŝ próby przyczepności betonu do stali. Na kolejnych fotografiach przedstawiono widoki zniszczonych w maszynie wytrzymałościowej modeli. Cienkościenne obudowy stalowe uległy zniszczeniu przez lokalną utratę stateczności, co zilustrowano na fotografii 7, a rdzenie z betonu lekkiego uległy zniszczeniu przez zarysowanie, co zilustrowano na fotografii 8. Fot. 7. Widok zniszczenia obudowy stalowej przez lokalną utratę statyczności [fotografia własna] Fot. 8. Widok zniszczenia rdzenia betonowego przez zarysowanie [fotografia własna] Na fotografii 9 przedstawiono belkę stalowo - betonową na drugim stanowisku badawczym. 1997

Fot. 9. Belka cienkościenna wypełniona betonem lekkim na drugim stanowisku badawczym [fotografia własna] Szczegółowe wyniki badań są zamieszczone w pracy [2], natomiast tutaj zostaną przedstawione tylko wnioski ogólne i dalsze kierunki badań: Rozwój odkształceń w cienkościennych belkach stalowych pod wzrastającym obciąŝeniem szybko doprowadza do wyboczenia lokalnego, które moŝe być powiązane z wyboczeniem ogólnym. Jest ono przyczyną niskiej nośności, na którą mają wpływ wymiary geometryczne i kształty konstrukcji oraz warunki brzegowe i sposób obciąŝenia. Zarówno przy zginaniu belek jak i zginaniu ze skręcaniem istotny wpływ na nośność ma kształt obudowy. Tu najlepsza jest obudowa skrzynkowa, następnie moŝna umiejscowić obudowę z ceownika półzamkniętego, a na końcu obudowę z ceownika. Belki z obudowami cienkościennymi otwartymi są bardzo słabo nośne przy ścinaniu. MoŜna by je wzmocnić stosując do ich konstruowania odpowiednio grubszą blachę, jednak będą to wówczas elementy znacznie cięŝsze i krępe (nie rozszerza to ich funkcji w konstrukcji budynku). Cienkościenne kształtowniki stalowe gięte na zimno wypełnione porowatym rdzeniem z betonu lekkiego mogą stanowić nie tylko elementy nośne, ale elementy nośne i równocześnie dźwiękochłonne lub ciepłochronne, a więc dalszy kierunek badań moŝe być związany z elementami konstrukcyjnymi mającymi właśnie takie funkcje. Wówczas naleŝało by przeprowadzić badania nowych materiałów i modeli konstrukcji. Symulacji numeryczna metodą elementów skończonych pracy cienkościennych belek zbudowanych z kształtowników stalowych z rdzeniem została przedstawiona w taki sposób, który w niewielkim stopniu wariantuje otrzymane rozwiązania. Tutaj jako dalszy kierunek badań naleŝałoby przyjąć doskonalenie bardziej wariantowanych modeli MES. 3. WSPÓŁCZESNE BADANIA EKSPERYMENTALNE KONSTRUKKCJI METALOWYCH I ZESPOLONYCH Konstrukcje stalowe są powszechnie stosowane w budownictwie. Główny obszar ich zastosowań to obiekty budownictwa przemysłowego, mieszkaniowego, komunalnego i rolniczego oraz hale, zbiorniki, pomosty, wieŝe i maszty. Drugim po stali stosowanym metalem w budownictwie są stopy aluminium. Konstrukcje z tych stopów są lekkie i odporne na korozję. Konstrukcje budowlane ze stopów aluminium występują w wielu krajach świata, zwłaszcza licznie w USA, jednak w Polsce jest ich niewiele z powodu wysokich kosztów. Trzecim rodzajem są konstrukcje zespolone typu stal beton, które często występują w budynkach wysokich, poniewaŝ przenoszą obciąŝenia większe niŝ same konstrukcje stalowe. Badania doświadczalne konstrukcji metalowych dotyczą następujących zagadnień: nośności i stateczności róŝnych konstrukcji przestrzennych np. przestrzennych ram, co zilustrowano na rysunku 10, nośności granicznej i stateczności konstrukcji cienkościennych i zespolonych, imperfekcji róŝnorodnego pochodzenia i ich wpływu na zachowanie się konstrukcji, problemów związanych z stosowaniem nowych połączeń w konstrukcjach, 1998

problemów związanych z stosowaniem w konstrukcjach nowych rodzajów stęŝeń, wzmocnień, podparć, badania cech mechanicznych i zachowania się konstrukcji przy wykorzystaniu nowych stopów, atestacji konstrukcji szczególnego przeznaczenia, badania własności materiałów konstrukcyjnych poddanych obciąŝeniu dynamicznego, badania efektów działania obciąŝeń cyklicznie zmiennych i wyjątkowych na konstrukcje, badania z wykorzystaniem monitoringu (przyczyną ich prowadzenia jest bezpieczne utrzymanie konstrukcji). Jeśli posługujemy się analizą nieliniową w mechanice, to musimy zwrócić uwagę na wymiary konstrukcji przyjmowane do badań i określić efekt skali. Przenoszenie wyników eksperymentów przeprowadzonych na małych i uproszczonych modelach na konstrukcje w skali naturalnej jest bardzo złoŝone, a często moŝliwe jest tylko porównanie jakościowe. Rys. 10. Przestrzenna rama stalowa w skali naturalnej pod obciąŝeniem [według 4] Przedstawiona na rysunku 10 przestrzenna dwukondygnacyjna ramę stalowa miała wymiary naturalne, tj. 2,5 m x 3,0 m x 3,96 m, wariantowany rozstaw stęŝeń oraz ze sztywne węzły. Poddano ją działaniu obciąŝeń nieproporcjonalnych [4]. W przeszłości badania doświadczalne prowadzono na ramach dwuwymiarowych. Objęcie eksperymentami ram trójwymiarowych powiększa zbiory obiektywnych wyników i pozwala na utworzenie wzorca, do którego moŝna odnieść rezultaty obliczeń i analiz numerycznych. Rama była obciąŝana siłami działającymi w kierunku pionowym oraz poziomym wywołanymi przez obciąŝniki hydrauliczne. Zastosowanie systemu pomiarowego spręŝonego z komputerem pozwoliło na obserwację zachowania się ramy w trakcie badania. Rezultaty pomiarów dały zaleŝności typu obciąŝenie - przemieszczenie. Wyznaczono nośność graniczną. Okazało się, Ŝe obciąŝenie graniczne obliczone wg formuł normowych było o 28% większe od obciąŝenia wyznaczonego na podstawie doświadczenia. Wynik ten potwierdza konieczność prowadzenia eksperymentów na duŝych obiektach przestrzennych w laboratorium. NaleŜy tu nadmienić, Ŝe badania były prowadzone teŝ na duŝych ramach stalowych czteropiętrowych dwunawowych. We współczesnej literaturze jest zamieszczonych wiele badań eksperymentalnych dotyczących konstrukcji metalowych i zespolonych, a więc dalsze ich przytaczanie nie jest tu potrzebne. 1999

WNIOSKI Badania doświadczalne nie są odrębną częścią Ŝadnej dyscypliny naukowej. Są one zawsze powiązane z określoną dziedziną wiedzy, co przedstawiono w niniejszej pracy na podstawie mechaniki konstrukcji. Ich przeprowadzenie jest zawsze poprzedzone studiami teoretycznymi, wstępnymi obliczeniami, badaniami materiałów i często badaniami próbnymi prototypów. W niniejszej pracy przedstawiono ogólny schemat obejmujący części składowe procesu badawczego oraz schemat szczegółowy dotyczący procesu badawczego nośności i odkształcalności cienkościennych belek stalowych wypełnionych betonem lekkim. Przedstawiono szczegóły dotyczące wariantowania stanowisk badawczych w maszynie wytrzymałościowej i modeli do badań, co wynika z potrzeby poznania pracy elementów w róŝnych stanach obciąŝeń. Pokazano efekty zniszczenia tych elementów przy maksymalnych obciąŝeniach. PoniewaŜ badane prze autorkę belki stalowo betonowe mieszczą się w grupie konstrukcji metalowych i zespolonych przedstawiono współczesne problemy badawcze tego typu konstrukcji. Na przykładzie ramy dwukondygnacyjnej w skali naturalnej wyjaśniono istotny nowy trend badawczy w obszarze tych konstrukcji. Pojawianie się nowych urządzeń i nowych technik pomiarowych oraz wyłanianie się nowych problemów do rozwiązania, w danej dziedzinie wiedzy, wymusza naturalny rozwój badań eksperymentalnych. Badania eksperymentalne stanowią integralną całość mechaniki konstrukcji. Streszczenie W artykule przedstawiono badania eksperymentalne w mechanice konstrukcji jako proces. Proces ten jest integralnie związany w wiedzą teoretyczną. Przebieg procesu przedstawiono na schematach blokowych. Zaprezentowano badania w mechanice konstrukcji oraz badania autorki, tj. belek stalowych wypełnionych betonem lekkim. Badania eksperymentalne stanowią integralną całość mechaniki konstrukcji. Experimental investigations in the mechanics of the constructions as planned process Abstract In the article one presented experimental studies in the mechanics of the construction as the process. This process is integrally related in the knowledge theoretical. The course of the process one presented on block schemes. One presented investigations in the mechanics of the construction and the investigation of steel-beams filled with the expanded concrete. Experimental studies constitute the integral whole of the mechanics of the construction. BIBLIOGRAFIA 1. Dietrich M. (red. pracy zbiorowej), Podstawy konstrukcji maszyn, tom 1, Wyd. Naukowo- Techniczne, Warszawa 1999. 2. Glinicka A., Studium odkształcalności cienkościennych belek stalowych z wypełnieniem z betonu lekkiego. Prace naukowe. Budownictwo. Z. 141, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2002. 3. Imiełowski S., Ajdukiewicz C., Glinicka A., Analiza eksperymentalna zachowań pokrytycznych na przykładzie ściskanych kolumn metalowych. Logistyka 3/2011, s. 943-948. 2000