Устройство для измерения напряжений в сооружениях

Класс 42 К 20 2955065 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ,ВЫДАННОМУ НАРОДНЫМ КОМИССАРИАТОМ ТЯЖЕЛОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИЗарегистрировано в Бюро изобретений Госплана при СНИ, В. Лалетин яжений я изме ения н строисг аявлеио 13 июля 1937 го Опубликовано 30 и а М ТП.1939 года. мя ме При проектировании всевозможных подземных сооружений (тоннели, трубы, убежища и т. п,), фундаментов, подпорных стенок (набережные, устои мостов) и т. д., приходится рассчитывать эти сооружения иа действие распределенной нагрузки от давления грунта. Однако, величина, направление и характер распределения принимаемого давления грунта определяются на основе тех или иных теоретических предпосылок, часто не имеющих или почти не имеющих должного экспериментального подтверждения. Например, даже при решении такой популярной задачи, ка. кой является определение давления грунта на подпорную стенку, для исследования характера распределения напряжений от этого давления, особенно при грунтах, обладающих сцеплением, приходится решать вопрос, не имея исходных экспериментальных данных. Что же касается других подверженных давлению грунта видов сооружений (тоннели, трубы и пр.), то правильный их расчет часто немыслим без предварительного получения на соответствующих опытных участках и моделяхнеобходимых экспериментальных данных, иллюстрирующих характер распределения напряжений по поверхности рассматриваемого сооружения от давления грунта.В связи с этим, в последнее вре возникло немало приборов для из рения давлений грунта на сооружение, но все эти приборы дают воз- можность исследовать лишь нормальные напряжения от действующего на сооружение давления грунта, в конструктивном отношении сложны и мало доступны для широкого практического использования.Для правильного решения задачи о величине и направлении действующего в данной точке на сооружение давления грунта измерение одной лишь нормальной составляющей этого давления - недостаточно.Нео бходимо так же еще и измере. ние тангенциального усилия в той же точке от того же давления грунта. Однако, попытка измерения тангенциальных напряжений, имевшая место в практике неоднократно, не привела еще к достаточно удовлетворительным результатам, следствием чего и явилось почти полное отсутствиеприборов, более или менее пригодвых для указанных напряжений,В 1935 - 1936 гг. проф. Г. И, Покровским, совместно с И, С. Федоровым, был предложен и примененвесьма простой прибор для лабораторного исследования величины тангенциального усилия от засыпки изгрунта на оболочку модельной трубы, Однако, в силу конструктивныхособенностей, этот прибор дает возможность только одного наблюдения,после чего необходима его перезарядка, и фиксирует лишь максимальное тангенциальное усилие, действовавшее на объект измерения в местеукрепления данного прибора. Крометого, указанное измерение становитсявообще возможным лишь тогда, когданаправление тангенциального усилияизвестно или предположение об этомнаправлении перед организациейопыта было сделано правильно,Все вышеизложенное позволяетсделать вывод, что техника экспериментирования дает пока изьестную,возможность измерять лшь нормаль-ные напряжения от давления грунтана сооружение, вопрос же измерениятангенциальных напряжений, получивсвое собственное направление развития, находится пока еще в зачаточ-ном состоянии,Предлагаемое изобретение имеет,целью заполнить пробел в этой об.ласти и представляет собой устрой-ство, позволяющее одновременно из-,мерять и записывать как тангенциаль-ные, так и нормальные напряжения.Такие устройства с сочлененнымидруг с другом рычагами, поворотными на осях и указывающими смещения в нормальном и тангенциаль-ном направлениях, уже известны.В предлагаемом устройстве применены ограничители смещений рычагов, имеющие форму электрическихконтактов. Это исключает ошибки оттрения в шарнирах вследствие замы-кания цепей двигателей, натягивающих тросы, скрепленные с рычагами.На чертеже фиг. 1 схематическиизображает предлагаемое устройстводля измерения только одних тангенциальных напряжений, фиг, 2 - разрез полинин УУ - УУна фиг.1, фиг. 3 -разрез по линии 111 - Ш на фиг. 1, фиг. 4 - схемы автоматической записи изменения напряжения, фиг. 5 - устройство для одновременного измерения как тангенциальных, так и нормальных напряжений, фиг. 6, 7 - разрезы соответственно по линиям 11 - 11 и ПУ - 111 на фиг, 5, фиг. 8 - схему одновременной автоматической записи изменения напряжений - и с.Металлический рычаг В выполнен с одной стопоны пустотелым, Полость его запслняется заподлицо с краями иатериалом, из которого сделано сооружение (например, бетонное) или которым последнее будет облицовано, Характер обработки поверхности материала, заполняющего коробку А, и поверхности сооружения со стороны засыпки из грунта должны быть одинаковы.Рычаг В насажен на неподвижную ось вращения О, укрепленную своими концами в специальном цилиндрическом кожухе К. Наибольший зазор, имеющийся между боковыми стенками рычага В и соответственно внутренней поверхностью кожуха К, заполняется мягкой резиной У.В таком виде указанная конструкция представляет собой по существу прибор для измерения тангенциальных напряжений,В готовом виде этот прибор вместе с его кожухом К заделывается в кладке оболочки сооружения, на внешнюю поверхность которой действуют измеряемые тангенциальные напряжения. К кожуху К приварен фланец Ю, посредством которого указанный прибор можно прочно укрепить в кладке сооружения, например, по схеме на фиг. 1. Под указанный фланец, при заделке при. бора в кладку, подкладывается жесткая кольцевая, охватывающая свободно кожух К, шайба п, Эта шайба служит упором для болтов, ввинчиваемых снаружи в особые отверстия фланца (на чертеже не показанные), когда требуется по окончании измерения напряжений извлечь прибор из кладки обратно, для повторного употребления в другом месте, Кроме того, для облегчения работы по извлечению прибора из кладки, рекоиендуется придавать некоторую конус- ность боковой поверхности кожуха К.Чтобы не искажать, при заделке прибора в теле сооружения, действительных условий силового воздействия на него от давления грунта в месте производимых измерений, важно совместить поверхность заполнения рычага В прибора с внешней поверхностью самого сооружения, При этом, в случае криволинейного очертания последней, как это имеет место в тоннелях, различных трубах и т. п., поверхности материала, заполняющего полость рычага В, соответственно надо также придать криволинейное очертание того же радиуса, как и у сооружения. Наконец, на время заделки прибора в тело сооружения и устройства засыпки из грунта рычаг В в приборе следует закрепить неподвижно в некотором среднем его (нулевом) положении специальными подкладками р, и р 2, которые перед началом измерения удаляются, Указанные подкладки р, и рможно заменить вин. товыми упорами, которые перед началом измерений соответственно ослабляются. В этом случае указанные винтовые упоры могут собой заменить также и описанные далее ограничители т, и т, смещений.Тангенциальные напряжения -., действующие вдоль поверхности заполнения полости рычага В, стремятся сместить коробку А в направлении своего действия, вращая систему из указанной коробки А и рычага В вокруг шарнира О. Для устранения искажений при измерении указанных тангенциальных напряжений, здесь можно будет допустить лишь весьма малый поворот рассматриваемой системы вокруг оси О. Для ограничения поворота служат отмеченные выше ограничители т, и пг. смещений.Кроме того, величину угла поворота рычага В необходимо ограничить еще и по следующим соображениям. При указанном повороте рычага В под влиянием тангенциальных напряженийпроисходят деформации смятия и скашивания резиновой прокладки Й, находящейся в зазоре между боковыми стенками рычага В и стенками кожуха К, Так как резина имеет здесь назначение лишь воспрепятствовать попаданию воды и особенно частиц грунта в указанный зазор, то важно максимально устранить влияние этой резины при измерениях напряжений, Это очевидно также будет достигнуто в случае, если ограничителями пг, и и. будет допущен незначительный поворот рычага с таким расчетом, чтобы деформация резины находилась в пределах ее упругости.Под влиянием тангенциальных напряжений -, рычаг В повернется вокруг оси О на некоторую весьма малую величину в пределах, ограниченных ограничителями т, и т,.Вследствие этого поворота острие 5 рычага В, ранее совпадавшее с указателем М, отойдет от этого указателя в сторону, противоположную направлению действия напряжений .Для измерения последних необхо.димо к свободному концу рычага В приложить некоторую силу Я, которая уравновешивала бы собой тангенциальное усилие , Через ю обозначим плошадь, на которую действуют измеряемые напряжения.Если бы в шарнире оси О не было трения, то искомая сила Я была бынайдена без труда, Однако, поскольку в шарнире оси О трение имеет место, задача несколько осложняется.К концу рычага В может быть приложена такая сила Я которая уравновесит собой не только силу -.ы,но и силу трения 1, имеющуюся вшарнире О; при этом последняя, , очевидно, будет складываться в основ ном из двух величин: силы трения,возникающей вследствие действия на внешнюю поверхность заполнения полости рычага В нормального к ней давления, и некоторой до известной степени постоянной силы трения, имеющейся в механизме самого шарнира. Исходя из этих условий, можно написать следующее уравнение равновесия:Я,Ь= тюа+й (1)где 1 - сила трения в шарнире О, радиус которого = г; -. - тангенциальное напряжение; э - площадь внешней поверхности заполнения полости рычага В, подверженная действию нагрузки; а и Ь - плечи рычага В.С другой стороны, на конец рычага В в той же самой точке может быть вместо силы ф приложена некоторая другая сила ( которая уже вместе с силой трения 1 будет уравновешиваться силой ты, Тогда второе уравнение равновесия составится следующим образом:-юа = Я.6+ 6. Яф = и - тра, (2)Складывая полученные уравнения (1) и (2) между собой, получим:01 Я 2) К откуда сила трения в шарнире Оопределится:- , - . д, (3), - р2 у Подставляя это значение 1 из формулы (3) в формулу (1) или (2) и решая полученное после этой подстановки уравнение относительно , имеем;Для определения тангенциального напряжения -, по формуле (4) необ. ходимо к свободному концу рычага Вприложить некоторую силу О и при-вести последний в первоначально положение так, чтобы острие 5 вновьсовпало с указателем Я (фиг. 1). Таким образом в процессе изменения 1 силы Я, когда рычаг В приводитсяв первоначальное положение, опре-, деляются два крайних значения этой силы Я, и Я, соответственно приня. тым при выводе формулы (4) условиям равновесия, При этом силы 1, и Я, лучше измерять, подходя к по. , ложению равновесия то с одной сто роны, то с другой, т. е, постепенноувеличивая, а потом уменьшая силу Я (или наоборот).Для повышения точности совмещения острия Я с указателем Л могутбыть применены, например, индика-торы, простейшие оптические рычаги, линзы с небольшим увеличением и ряд других пригодных для указанных целей средств.Кроме значений сил Я, и Я, для вычисления тангенциального напряженияпо формуле (4), необходимо еще измерить плечи рычага В, а именно а и д, согласно имеющимся на фиг. 1 обозначениям, а также измерить внешнюю, непосредственно подверженную действию нагрузки, поверхность заполнения э коробки А.В дополнение к изложенному необходимо отметить следующее. Если в материал заполнения полости рычага В (фиг, 1) поместить соответствующим образом подходящий прибор для измерения нормальных напряжений (напримерструнный динамо- метр Давиденкова и т, д,), то данный прибор превращается уже в прибор для измерения нормальных и тангенциальных напряжений, действующих на сооружение от давления грунта в данной точке.Если по условиям задачи требуется вести непрерывное наблюдение за изменением напряжений , в зависимости от времени Т, то, естественно, в целях упрощения данной работы возникает вопрос автоматизации этих наблюдений. В связи с этим, как это будет показано далее, в данном приборе может быть применена простейшая автоматическая регистрация изменения напряжений -. от времени наблюдений Т.Описанные выше ограничители и, и т,как известно, отстоят от рычага В на весьма небольшом расстоянии, Следовательно, при малейшем повороте этого рычага в ту или иную сторону будут осуществляться его контакты с ограничителем пг, или ограничителем п,. Это поочередное касание рычагом В указанных ограничителей можно использовать для замыкания электрических контактов, с помощью которых будет осуществляться переключение реверсивного двигателя Е (фиг. 4) на прямой илиобратный ход.Запись диаграммы зависимости от Т производится следующим абра зом. Двигатель Е, соединенный с со ответствующей лебедкой, вращается г,то в одну, то в другую сторону.При этом он то повышает, то ослабляет напряжение троса А, идущегоот указанной лебедки к свободномуконцу рычага В. Пользуясь натяжны-ми грузами у (фиг. 4), легко опреде-лить растягивающее трос Е усилие Я.В зависимости от величины Я на-тяжной груз д будет провисать тобольше, то меньше и пером (иликарандашом)будет записывать из-менение Я в зависимости от временинаблюдений Т. Нетрудно видеть, чтополученная диаграмма будет иметьвид ломаной (зигзагообразной) линии, ординаты которой в точках,излома, соответствующих моментупоочередного касания рычагом Вограничителей т, и т будут представлять собой искомые для вычи-;сления по формуле (4) силы Я, и Ягв то или иное время Т,Однако следует заметить, что описанная здесь схема самопишущегоприспособления будет работать лишьв том случае, если предположение онаправлении тангенциального напряжения -. было сделано правильно.В противном случае момент от силы ыи силы натяжения Я троса Ь относительно оси вращения О будет одногознака, В этом случае контакт на со.ответствующем ограничителе получится постоянно замкнутым и, какнетрудно видеть, двигатель Е будет просто разматывать трос, Чтобыэту ошибку исправить, нужно изменить направление троса Е, идущегоот рычага В на противоположное.Это легко может быть осуществленозаранее предусмотренной расстановкой необходимых для этой цели за- гпасных направляющих блоков (нафиг, 4 не показанных).Схема устройства для одновременного измерения и записи как о, таки -. изображена на фиг.5 - 8. Рычаг Ввращается на оси О. При этом последняя укреплена не в стенках кожуха К, как это имело место в предыдущем случае, а в соответствующих отверстиях второго рычага В,.Для этой цели рычаг В, сделан издвух металлических пластин, междукоторымн и располагается рычаг В(фиг. 6, 7). Рычаг же В, укрепляется на неподвижной оси Озаделанной своими концами в стенки кожуха К. В остальном конструкция данного прибора и способ его заделки вкладке оболочки сооружения аналогичны сказанному выше.Далее, из рассмотрения фиг. 5 видно, что под влиянием нормальных напряжений а рычаг В, стремится переместиться в направлении действия этих напряжений и вращается вокруг оси О Чтобы это перемещение (вследствие более или менее значительной его величины) не вызывало существенного искажения действительных условий распределения напряжений в месте их измерения, для рычага В так же как и для рычага В, необходимы, как и в устройстве по фиг, 1, ограничители деформации и, и и.Так как вращение рычага В, ничтожно, вследствие ограничения этого вращения ограничителями и, и и то перемещение оси О будет также весьма малым и траектория ее движения, вследствие этого, будет практически лежать на ливии ОЯ (фиг, б), Поэтому можно считать, что усложнение конструкции данного прибора, в сравнении с предыдущим, принципиально не дает никаких существенных затруднений для измерения тангенциальных напряжений и позволяет для этих целей использовать ту же формулу (4), которая была приведена выше в описании прибора для измерения тангенциальных напряжений,Что касается измерения нормальных напряжений, то работа прибора в данном случае. будет заключаться в следующем, Под влиянием нормальных напряжений о рычаг В стремится переместиться в направлении действия нагрузки а, приводя во вращение рычаг В, вокруг оси О Вследствие этого поворота острие 5, рычага В- ранее совпадавшее с указателем И отклонится от своего первоначального положения, К свободному концу рычага В, прикладывается некоторая сила Р, которая приводит рычаг В, в первоначальное положение. Следовательно, принци пиальная схема работы устройства для определения а здесь одинаковасо схемой устройства по фиг. 5, а также и со схемой вышеописанного устройства при определении танген-, циального напряжения(фиг, 1),Поэтому, следуя рассуждениям,примененным при получении формулы (4) для определения тангенциального напряжения -., аналогичным образом, без труда, можно получить формулу и для определения нормального напряженияв такой же форме:. (5)о -2 асЗдесь и - та же площадь поверхности заполнения коробки А; с и Ы - плечи рычага В; Р, и Р,. - силы, при действии которых достигается совмещение острия 5, рычага В, с указателем М когда путем постепенного увеличения, а потом постепен-, ного уменьшения силы Р (или на-, оборот), подходят к положению рав-новесия то с одной, то с другой стороны.Запись диаграммы зависимости напряженийот времени Т тождественна указанному при описании прибора для измерения тангенциальных напряжений и схематически представлена на фиг, 8, а потому к ней относятся все рассуждения, изложенные выше в отношении схемы нафиг, 4.Запись диаграммы зависимости аот Т может производиться на томже барабане О, помощью такого,же устроиства (на фиг, 8 показано пунктиром), как это принято для записи зависимости -. от Т, Здесь двигатель Евращая свою собственную лебедку, осуществляет необходимое натяжение троса Ечем поддерживает рычаг В, в необходимом равновесии, Подобно предыдущему случаю, натяжным грузом о, приводится в движение перо узаписывающее диаграмму, помощью которой, аналогично описанному выше, определяются значения силы Ри Р., необходимые для вычисления о по формуле (5) в то или иное время Т. Однако, в отличие от предыдущего случая, здесь направление напряженийне меняется, а потому отпадает необходимость в применении запасных направляющих блоков. Предмет изобретения.Устройство для измерения напряжений в сооружениях с применением поворотных на осях и сочлененных друг с другом рычагов, предназначенных для указания смещений в нормальном и тангенциальном направлениях, отличающееся применением ограничителей т ти т.т, смещений, выполненных в форме электрических контактов, с целью исключения ошибок, определяемых трением в шарнирах путем замыкания цепей реверсивных двигателей, натягивающих тросы Х., Е скрепленные с рычагами В, В, и оттягиваемые грузамии