CC BY
32
УДК 625.142.42 : 535.417.2
О. Г. КЕСАРШСЬКИЙ (ТОВ «Лабораторiя комплексних технолопй»), Ю. Л. ЗАЯЦЬ, П. О. ПШ1НЬКО (ДПТ)
ВИКОРИСТАННЯ ЛАЗЕРНО-1НТЕРФЕРЕНЦ1ЙНИХ МЕТОД1В ДЛЯ АНАЛ1ЗУ НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНОГО СТАНУ ЗАЛ1ЗОБЕТОННИХ ШПАЛ
В статп наведено результати дослщження зал1зобетонного елементу за допомогою методу лазерно! штерферометрп.
Ключовi слова: зал1зобетонна шпала, напружено-деформований стан, лазерна штерферометргя
В статье представлены результаты исследования железобетонного элемента при помощи методов лазерной интерферометрии.
Ключевые слова: железобетонная шпала, напряженно-деформированное состояние, лазерная интерферометрия
The article is dealt with the results of research of the reinforced concrete element by means of the laser interfer-ometry method.
Keywords: reinforced concrete sleeper, stressed-and-strained state, laser interferometry
Вступ
Починаючи з 2000 року на залiзницях Укра-ши спостер^аеться масовий вихщ з ладу зал> зобетонних шпал. У бiльшостi випадюв причиною появи дефектiв була неналежна якiсть бетону. Через те виникла необхщшсть неруйшв-ного контролю якосп готових залiзобетонних шпал, для гарантування !х нормативного строку служби та безпеки перевезень на залiзницi.
Iснуючi методи неруйнiвного контролю таю як ударно^мпульсний, використання ультра-звукових приладiв, електротензометрiя та шш^ надають недостатньо iнформацii про готовий залiзобетонний вирiб через те, що вони оперу-ють обмеженим об'емом даних лише по окре-мим складовим елементам (бетон, армування, тощо), а не контролюють роботу конструкци в цiлому. А для контролю якосп залiзобетонних шпал необхiдне комплексне визначення якосп виробу як однiеi суцiльноi конструкцii, щоб гарантувати безвщмовну роботу шпали у верх-нш будовi колii пiд навантаженням, що потре-буе бiльш точних та ефективних методiв не-руйнiвного контролю якосп залiзобетонних елементiв.
Мета дослщжень
Метою даноi статтi стало висв^лення лазе-рно-iнтерференцiйного методу аналiзу напру-жено-деформованого стану конструкцiй який
можливо застосовувати для визначення якостi залiзобетонних залiзничних шпал.
В авiацiйно-космiчнiй техшщ вже бiльше 30 рокiв усшшно застосовуються лазерно-штерфе-ренцiйнi методи визначення полiв деформацiй та перемiщень. Перевагами лазерно-штерфе-ренцiйних методiв дослiдження - голографiчноi iнтерферометрii та спекл-iнтерферометрii, включаючи електронну кореляцiйну спекл-iнтерферометрiю е те, що експериментальш вимiри е прямими та прецизшними, викону-ються як на оптично прозорих, так i дифузно-розсiюючих тiлах, вони безконтактш та безше-рцiйнi, що дозволяе проводити експерименти в широкому дiапазонi статичних та динамiчних навантажень при перемщеннях в дiапазонi вщ 0,1 до 100 мкм, який може бути суттево розши-рений.
1снуючий прогрес в областi квантово1' елек-тронiки, електронно1' оптики та обчислювально1' технiки дозволив розширити область використання лазерно-штерференцшних методiв досл> дження напружено-деформованого стану.
При виршенш задач дослщження як самого бетону так i бетонних, та залiзобетонних еле-ментiв, лазернi iнтерференцiйнi методи видшяе широка гамма вирiшуваних задач, до числа яких можливо вiднести вивчення власних де-формацiй бетону, виявлення силових трiщин, вивчення явища усадки бетону на раншх стад> ях твердшня, температурнi та вологiснi дефор-мацii бетону з рiзноманiтними заповнювачами.
© Кесаршський О. Г., Заяць Ю. Л., Пшшько П. О., 2011
Результати дослщжень
Для наглядно! демонстрацп можливостей лазерно-iнтерференцiйного методу, як такого, що дозволяе встановити неруйнiвним методом яюсть залiзобетонних шпал нами був проведений експеримент. Об'ектом дослщження в да-ному експериментi став процес визначення на-пружено-деформованого стану затзобетонних елементiв, армованих звичайною арматурою, а предметом дослщження стала залiзобетонна балка, розмiрами 100 х 100 х 400 мм.
Опис експерименту:
При виконанш дослiджень по вивченню процесу трiщино-утворення в бетоннiй балцi використовувалась схема реестраци голограм за методом Лейта-Упатшекса, що показана на рис. 1.
Промшь гелiй-неонового лазера 1 (ЛГН 215) за допомогою дзеркала 2 спрямовувався на св> тлорозподiльну призму 3. За допомогою дзеркала 4 та мшрооб'ективу 5 формувався предме-тний св^ловий потiк для освгглення поверхнi бетонно! балки 6, що дослщжувалася. Опорний свiтловий потiк був реалiзований за допомогою дзеркала 7 та мшрооб'ективу 8.
Рис. 1. Схема реестрацп голограм за методом Лейта-Упатшекса
Для реестраци голограм використовувались фотопластини ПФГ-03, якi закрiплювалися в рамцi-тримачi 9.
З метою забезпечення високо! стабiльностi схеми вимiрювання, предмет дослщження та оптична схема монтувалися на вiброзахиснiй платформi 11, яку виконано у виглядi жорстко! металево! плити, розмщено! на пневматичних амортизуючих подушках.
Опорний та предметний свiтловi потоки ор> ентували по вiдношенню до об'екту так, щоб бiсектриса кута мiж оптичними осями опорного та предметного св^лових потокiв спiвпадала з нормаллю до поверхнi об'екту, що дослщжува-вся. Така реалiзацiя схеми реестраци гологра-фiчних iнтерферограм дозволила забезпечити
максимальну чутливiсть вимiрювань до нормально! компоненти вектора перемщень.
Щц час дослiдження процесу трщино-утворення використовувався метод голографiч-но! штерферометрн подвiйно! експозицi!. Для цього шддослщну балку попередньо наванта-жували незначним згинальним моментом та проводили реестращю голограми. Потiм згина-льний момент збшьшували на задану величину та повторно експонували ту ж саму фотопластину. Пюля друго! експозицi! фотопластина тддавалася фотохiмiчнiй обробцi, а пiсля сушки встановлювалась на мiсце експонування у рамку 9. Для отримання фотозшмку штерферо-грами, предметний промшь мiж св^лорозпод> льником 3 та дзеркалом 4 перекривався св^ло-непроникним екраном, а вiдтворене зображення фшсувалося за допомогою цифрово! фотокаме-ри 10.
В процес експерименту було виявлено, що в дослщжуваному зразку пiд впливом наванта-ження реалiзувалися процеси текучосп, що значно знижують контраст штерференцшних смуг на iнтерферограмах, що призводить до ускладнення !х подальшо! обробки. Для част-ково! компенсацi! цього ефекту, шддослщна поверхня вкривалася тонким шаром алюмше-во! пудри. Таке ршення дозволило скоротити час експонування до 4...5 с. Короткий час експонування дозволив значно збшьшити контраст штерференцшних смуг, проте навггь при цьому на штерферограмах виразно виявляються зони локалiзацi! ефектiв повзучостi.
Серiя експериментiв проводилася шляхом послiдовно! реестрацп штерферограм зi стутн-чатим збшьшенням навантаження. Максималь-ний рiвень навантаження, що був досягнутий в попередньому цикл реестрацi!, був вихвдним рiвнем для наступного циклу. Таким чином, було отримано серда iнтерферограм, що вщо-бражала змiну поля перемщень шддослщно! поверхнi бетонно! балки вщ моменту заро-дження трiщин до моменту повного !! руйну-вання.
Дослщжувана залiзобетонна балка виготов-лялась за схемою, що показана на рис. 2.
Для виготовлення балки був використаний бетон класу В40, характеристики якого вщпов> дають вимогам, що встановлюються для шпа-льного бетону.
Балка навантажувалася за схемою, що показана на рис. 3.
Балка навантажувалася поступово, з реест-ращею iнтерферограм пiсля кожного кроку навантаження. Результати експерименту наведеш в табл. 1.
Рис. 2. Схема виготовлення дослщжувано! залiзобетонноl балки
Рис. 3. Схема навантаження балки
Таблиця 1
Результата експерименту
№ з/п кН Е2, кН Вигляд штерферограми Примiтки
1 2 3 4 5
8,56 Попередне навантаження, для усунення деформацш поверхневого шару i розпо-дiлу деформацiй на опорах (штерферограма не реестру-валася).
1 4,28 8,56 Висока частота штерферен-цiйних смуг, отриманих на пробнiй iнтерферограмi, не дозволила провести !х фото-графування. Наступнi ступе-нi навантаження були напра-вленi на визначення прийня-тного, з точки зору подаль-шо! обробки, дiапазону навантажень.
12,84
14,12
Рiвномiрний розподш штер-ференцiйних смуг сввдчить про вiдсутнiсть локальних дефектiв. Пвд впливом нава-нтаження пiддослiдна повер-
хня нахиляеться, що пов'язано з умовами закрш-лення та навантаження.
25,68
26,96
Поява першо! трщини, яка виявляеться за розривами та спотворенням штерферен-цiйних смуг в твш нижнiй частинi штерферограми. Спiвставлення штерферог-рами 3 з фотографiею анш-лiфу дозволяе прив'язати локалiзацiю трiщин з контуром великого щебеневого заповнювача. Вiзуально про-яв трiщин не спостертаеть-
ся, але внутрiшнi зв'язки в цiй зонi шддалися руйну-ванню.
39,38
41,09
При досягненнi навантаження 41,09 кН виразно спосте-ртаеться зона появи трщи-ни. Вона вщповвдае дiлянцi, що була виявлена ранше, однак протiкае активний розвиток тво! гiлки i форму -еться права. Вiзуально прояв трiщин не спостертаеться.
1
2
3
4
5
2
3
4
42,8
44,94
Низький контраст смуг у верхнш частиш пщдослвдно-го зразка пояснюеться тим, що за час експозици (15 с) пропкае явище повзучостi бетону шд навантаженням, спостерiгаеться поява ново! трщини в правiй частинi штерферограми. Вiзуально трiщини не спостерiгаються.
44,94
47,08
Незначне зб№шення наван-таження призводить до того, що частина трщин закрива-еться. Це можна пояснити перерозподiлом внутрiшнiх напружень в структурi мате-рiалу i явищем «заклиню-вання» окремих часток в каркас бетону. Також у верхнш частиш активно проть кае явище повзучосл бетону, цей факт видно через зни-ження контрасту штерфе-ренцiйних смуг.
Вiзуально трщини не спостертаються.
1
2
3
4
5
5
6
5
51,36
53,5
Суттеве зб№шення наван-таження призводить до рiз-кого збiльшенню трщин праворуч. Спостерiгаеться вклинювання локального фрагменту. В лiвiй частинi iнтерферограми формуеться нова гшка трiщини, що охо-плюе великий фрагмент щебеню в структурi бетону.
Вiзуально трiщини не спостер^аються.
1
2
3
4
7
59,92
62,06
Рют трщин призводе до час-ткового розвантаження, що змiнюе силову взаемодш виклинювано! частини з ос-новним масивом.
10
64,2
66,34
На фош порiвняно рiвномiр-них смуг деформацп основного масиву виразно прояв-ляються блоки, що сформо-ваш виклинюванням щебеню та дiлянка, утворена верти-кальними трiщинами. Акти-вний розвиток лiвоl сiтки трiщин гальмуе розвиток право! лшшно! трiщини.
Пщ час проведення експерименту мщшсть балки перевищила граничне навантаження екс-периментального пресу, через це балка не була зруйнована. Але експерименти, що були поставлен! рашше над стандартними зразками бетонних куб1в 100 х 100 х 100 мм дають мож-ливють стверджувати, що якби балка була зруйнована в зош чистого згину через появу норма-
льних трщин, то !хнш вигляд мав би вщповща-ти зображенню в п. 10 табл. 1.
Для сшвставлення результату експерименту з теоретично визначеними значеннями руйшв-ного навантаження балки, було виконано роз-рахунки мщносп балки зпдно до СНиП 2.03.01-84*. В результат розрахунюв було отримано таю величини: руйшвне навантаження для балки становить ^ = 73,3 кН; величина
1
2
3
4
5
9
навантаження, за якого з являються перш1 тр1-щини - Г = 16,8 кН. Ц значения вщповщають тим, що були отримаш експериментально, осю-льки перша трщина, яка була зафшсована на штерферограм1, з'явилася на штервал1 навантаження Г вщ 14,12 до 26,96 кН, а при макси-
мальному навантаженш Г = 66,34 кН в1зуально балка залишалася цшсною.
За результатами експерименту було побудо-вано графши поля нормальних перемщень, що зображеш на рис. 4 та 5.
Рис. 4. Графж поля нормальних перемщень поверхнi зразка при змш навантаження вiд 51,36 до 53,5 кН
Рис. 5. Графiк поля нормальних перемщень поверхш зразка при змш навантаження вiд 64,2 до 66,34 кН
Висновки
1. Методи лазерно! голограф1чно! штерфе-рометри можуть бути застосоваш для визна-чення дефекпв затзобетонних та бетонних елеменпв, що дозволить неруйшвним методом ощнити вщповщнють виробу чи конструкци поставленим до них вимогам.
2. За допомогою метод1в лазерно! гологра-ф1чно! штерферометри е можливють вим1рюва-ти деформаци поверхш бетонних та зашзобе-тонних елеменпв 1, на в1дм1ну вщ звичайних метод1в вим1рювання, таких як тензометр1я, юнуе можливють отримувати трьохвим1рний вектор перемщення будь-яко! точки поверхш у простора
3. Методи лазерно1' штерферометрп, реат-зоваш на принципах електронно1' кореляцiйноi штерферометрп, можуть бути застосованi при вщпускному контролi якостi залiзобетонних шпал iз заводу-виробника, контролi якостi шпа-льного бетону без руйнування само1' шпали.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. СНиП 2.03.01-84*. Бетонные и железобетонные конструкции [Текст]. - М., 1989.
2. Железобетонные шпалы для рельсового пути [Текст] / А. Ф. Золотарский [и др.]. - М.: Транспорт, 1980.
3. ЦП-0150. Техшчш вказ1вки з використання ста-ропридатних матер1ал1в верхньо! будови коли на зал1зницях Украши [Текст]. - К.: Науково-конструкторське технолопчне бюро колшного господарства Укрзал1зниц1 (НКТБ ЦП УЗ), 2006.
4. Исследование деформационных характеристик бетонных образцов лазерно-интерференцион-ными методами [Текст] / А. Г. Кесарийский [и др.] // Вестник гражданских инженеров СПбГАСУ. - № 4. - СПб., 2009.
5. Особенности поведения бетона на плотных заполнителях под нагрузкой [Текст] / Е. В. Конд-ращенко [и др.] // Науковий в1сник буд1вництва ХДТУБА ХОТВ АБУ. - Вип. 59. - Х., 2010.
6. Кесарийский, А. Г. Применение лазерно-интер-ференционных методов измерения напряженно-деформированного состояния деталей и узлов для повышения конструктивного совершенства изделий машиностроения [Текст] / А. Г. Кесарийский, А. Н. Клишин // Висок1 технологи в машинобудуванш: Зб. наук. пр. НТУ «ХП1». -Вип. 2 (15). - Х., 2007.
Надшшла до редколегп 17.11.2010.
Прийнята до друку 22.11.2010.
