Измеритель внутренних нормальных механических напряжений в строительных конструкциях

(51)01 1/18 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ИЗМЕРИТЕЛЬ ВНУТРЕННИХ НОРМАЛЬНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ(71) Заявитель Учреждение образования Полоцкий государственный университет(72) Авторы Лесковец Сергей Васильевич Карась Денис Николаевич(73) Патентообладатель Учреждение образования Полоцкий государственный университет(56) Саммал О.Ю. Напряжения в бетоне и прогнозирование технических ресурсов в бетонных и железобетонных конструкциях и сооружениях. - Таллин Валгус, 1980. - С. 28.246131, 1969.187372, 1966.724945, 1980.57012334 , 1982.(57) 1. Измеритель внутренних нормальных механических напряжений в строительных конструкциях, содержащий датчик деформации строительной конструкции, компенсатор деформации в виде закрытой коробки с жесткими боковыми и эластичными торцевыми стенками, заполненной средой с возможностью увеличения в объеме посредством устройства создания давления среды в компенсаторе и датчик давления среды, отличающийся тем, что устройство создания давления среды в компенсаторе выполнено в виде электрического нагревателя, датчик давления среды выполнен с термокомпенсацией, а в качестве среды использовано органическое соединение из ряда 22, гдеравно 9-70, причем устройство создания давления среды в компенсаторе и датчик давления среды установлены во внутреннем объеме компенсатора по центру с возможностью соединения с источником электроэнергии и измерительным прибором соответственно. 2. Измеритель по п. 1, отличающийся тем, что компенсатор деформации покрыт теплозащитной изоляцией. 9145 1 2007.04.30 Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для измерения внутренних нормальных механических напряжений сжатия в эксплуатируемых строительных конструкциях из бетона, из железобетона с невысокой степенью армирования, полимербетона, а также в кирпичной кладке. Известно устройство для измерения внутренних нормальных механических напряжений, включающее соосно устанавливаемые в строительную конструкцию тензометр для измерения деформаций и компенсатор деформаций, в виде жесткого цилиндрического элемента из пьезокерамики с электроконтактами по торцам, между которыми по наружной поверхности элемента из пьезокерамики наклеены тензорезисторы 1. Недостатком этого устройства является невысокая точность измерения напряжений из-за того, что компенсатор в виде жесткого элемента из пьезокерамики развивает в стесненных условиях внутри конструкции небольшие значения деформации и компенсирующих механических напряжений, которые не соответствуют диапазону работы материала строительной конструкции. Материалы строительных конструкций при работе имеют больший диапазон деформаций. Он не компенсируется деформациями одного пьезоэлемента при подаче электрического напряжения. Повысить деформации компенсатора можно последовательным соединением нескольких элементов из пьезокерамики. уменьшением их толщины для создания максимального значения шагового напряжения. Но в этом случае прикладываемые к пьзоэлементу электрические напряжения находятся в высоковольтной области и многие материалы, в которых необходимо проводить измерения ввиду низкого значения сопротивления, будут создавать дополнительные электрические пробои и утечки. Данное устройство оценивает значение механических напряжений в среде по величине электрических напряжений, подаваемых на элемент из пьезокерамики, и позволяет проводить измерения в идеализированной упругой среде. При появлении пластических деформаций оно не позволяет измерять значения механических напряжений. Наиболее близким техническим решением является измеритель внутренних нормальных механических напряжений в строительных конструкциях, включающий датчик деформации и компенсатор деформаций в виде коробки с жесткими боковыми стенками и эластичными мембранами по торцам, заполненный жидкостью и соединенный с датчиком давления и внешним устройством создания давления в компенсаторе в виде насоса 2. Недостатком прототипа являются его большие габариты. Устройство создания давления в компенсаторе в виде насоса является отдельной внешней системой, находящейся рядом со строительной конструкцией и соединенной с компенсатором через переходные штуцера шлангами высокого давления. Под высоким давлением находятся соединительные шланги и насос, переходные штуцера, что снижает надежность устройства создания давления. Эксплуатация такого измерителя напряжений вызывает сложности в проведении работ. Задачей изобретения является создание удобства эксплуатации при работе с измерителем внутренних нормальных механических напряжений и повышение его надежности. Поставленная задача решается тем, что в измерителе внутренних нормальных механических напряжений в строительных конструкциях, содержащем датчик деформации строительной конструкции, компенсатор деформации в виде закрытой коробки с жесткими боковыми и эластичными торцевыми стенками, заполненной средой с возможностью увеличения в объеме посредством устройства создания давления среды в компенсаторе и датчик давления среды, в отличие от прототипа, устройство создания давления среды в компенсаторе выполнено в виде электрического нагревателя, датчик давления среды выполнен с термокомпенсацией, а в качестве среды использовано органическое соединение из ряда СН 22, где 9-70, причем устройство создания давления среды в компенсаторе и датчик давления среды установлены во внутреннем объеме компенсатора по центру, с возможностью соединения с источником электроэнергии и измерительным прибором соответственно. 2 9145 1 2007.04.30 Кроме того, в случае измерения напряжений в высокотеплопроводных конструкциях компенсатор покрыт теплозащитной изоляцией. Размещение устройства создания давления и датчика давления внутри компенсатора позволяет уменьшить габариты измерителя внутренних нормальных механических напряжений, путем исключения внешней гидравлической системы с ее протечками при высоких давлениях, и повысить его надежность. На фиг. 1 изображена схема размещения заявляемого устройства в конструкции, на фиг. 2 и фиг. 3 - конструкция компенсатора. Установленный на строительную конструкцию 1 измеритель внутренних нормальных механических напряжений включает датчик деформации среды 2, в качестве которого обычно используют тензорезисторы 3, компенсатор деформации 4, помещенный в карман 5,выполненный в строительной конструкции 1. Тензорезисторы 3 соединены с вторичным измерительным прибором 6, например, ИДЦ-1, или СИИТ-3. Измеритель включает также термокомпенсированный тензорезисторный датчик 7 давления среды в компенсаторе 4,соединенный с вторичным показывающим прибором 8, в качестве которого могут быть использованы и вышеназванные приборы. Компенсатор 4 имеет вид коробки с жесткими стенками 9 и эластичными стенками 10. Внутренний объем компенсатора заполнен увеличивающейся в объеме средой 11, в качестве которой применено органическое соединение из ряда 22, где 9-70. Растяжка 12, закрепленная на траверсе 13, фиксирует положение датчика 7 внутри компенсатора 4 по центру. Растяжка 12 выполняется из изоляционного материала, например, стекложгута. Устройством создания давления среды в компенсаторе 4 служит электрический нагреватель, состоящий из жестких траверс 13, закрепленной в изоляторах 14, и нагревательных спиралей 15. Нагреватель включается выключателем В 1 и питается от источника электроэнергии Е 1. На одной из боковых стенок компенсатора 4 установлен герметичный разъем 16, к которому присоединены выводы тензорезисторного датчика давления 7 и нагревателя. Наружные поверхности жестких стенок 9 компенсатора 4 покрыты слоем термоизоляции 17. Наружная поверхность эластичных стенок покрыта пленкой 18, например,из фторлона-4. Заявляемый измеритель устанавливается в строительные конструкции, работающие на сжатие, такие как колонны, стены, перегородки и фундаменты зданий. Конструкция может быть выполнена, например, из железобетона и должна иметь размеры, позволяющие между стержнями арматуры в кармане установить компенсатор и датчик деформаций. Пробивка кармана не должна являться опасным дефектом для строительной конструкции. Заявляемый измеритель работает следующим образом. На конструкцию 1 устанавливают датчик деформации 2 и измеряют его начальное показание, которые определяются значениями сопротивлений тензорезисторов 3. В конструкции пробивают карман 5 для установки компенсатора 4. Это приводит к разгрузке конструкции в месте установки датчика деформации 2 и изменению его начального показания, так как тензорезисторы 3 растягиваются. Затем в карман 5 устанавливают компенсатор 4, пространство между ним и конструкцией заделывается цементным растворам или гипсом. После твердения раствора включателем В 1 замыкают электрическую цепь нагревателя. Ток от источника 1 через разъем 16 и траверсы 13 поступает на спирали 15, разогревая их. Изоляторы 14 фиксируют положение нагревателя внутри компенсатора. Прохождение тока через нагреватель приводит к разогреву среды 11 в компенсаторе 4 и к переходу ее из твердого состояния в жидкое с увеличением объема до 10-153. Этот переход происходит в узком температурном диапазоне. Известные составы органических соединений типа СН 22, где 9-70 3,имеют температуры плавления от -53,5 - 105,2 С, что позволяет подобрать температуру этого перехода выше на 20-30 С рабочей температуры эксплуатации конструкции для исключения значительных термических напряжений в конструкции. Термоизоляция 17 по жестким стенкам 9 задерживает процесс передачи тепла конструкции 1. Пленка 18 не 3 9145 1 2007.04.30 препятствует деформации эластичных стенок 10 и исключает контактные давления от материала конструкции, является термоизоляцией и снижает влияние касательных напряжений. Жесткие стенки 9 воспринимают внутреннее давление, а эластичные стенки 10 деформируются, создавая внутренние сжимающие напряжения в направлении датчика деформаций. От количества тепла, переданного нагревателем, зависит количество органического соединения, перешедшего из твердого состояния в жидкое, что определяет величину давления в компенсаторе. Количество тепла зависит от мощности нагревателя и времени его включения. Регулируя эти параметры, добиваются такого силового воздействия на конструкцию, при котором происходит восстановление начального показания датчика деформации 2, определяемого по измерительному прибору 6. Скорость подъема давления в компенсаторе можно регулировать, также изменяя силу тока в цепи нагревателя. Квазистатическая характеристика повышения давления в компенсаторе 4 обеспечивается высокой теплоемкостью используемых органических соединений и их низкой теплопроводностью, что не позволяет нагревателю мгновенно превратить в жидкое состояние весь объем твердого органического соединения внутри компенсатора. При отключении от источника тока нагреватель некоторое время вокруг себя будет поддерживать органическое соединение в расплавленном состоянии. Это поддержит давление в компенсаторе и позволит произвести его измерение. Тензорезисторный датчик давления 7 имеет цепи термокомпенсации и его показания не зависят от изменения температуры. Расположенный по центру компенсатора он измеряет давление жидкой фазы органического соединения для исключения влияния вязкости переходной фазы на его показания. По показаниям датчика 7, снимаемых с вторичного показывающего прибора 8,оценивают напряженное состояние конструкции. Предельная сжимаемость, например, бетона 0,2-0,455. Это позволяет компенсатору своей деформацией сначала убрать зазоры в кармане, а затем перекрыть диапазон деформации конструкции, связанный с восстановлением прежнего напряженного состояния до пробивки кармана. Удобство в эксплуатации и повышенная надежность заявляемого измерителя внутренних нормальных механических напряжений обеспечивается тем, что компенсатор имеет малые габариты, давление развивается в нужном месте, где расположены система его создания и датчик давления, управление работой компенсатора осуществляется по электрической цепи, отсутствуют протяженные, соединяемые между собой элементы, (внешний насос, штуцера и соединительные шланги) находящиеся под высоким давлением. Источники информации 1. А.с. СССР 724945, МПК 301 1/22, 1980. 2. Соммал О.Ю. Напряжения в бетоне и прогнозирование технических ресурсов в бетонных и железобетонных конструкциях и сооружениях. - Таллин Валгус, 1980. - С. 28(прототип). 3. Переверзев А.Н., Богданов Н.Ф., Рощин Ю.Н. Производство парафинов. - М. Химия,1973. - С. 50, 51, 56. 4. Таблицы физических величин / Под. ред. И.К. Кикоина. - М. Атомиздат, 1976. - С. 271. 5. Мандриков Ф.П. Примеры расчета железобетонных конструкций. - М. Стройиздат,1989. - С. 33. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5