Стр. 1 из 7 АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ МОДЕЛЕЙ ФУНДАМЕНТОВ Валеев Денислам Наилевич, Болдырева Елена Геннадьевна, Пензенский государственный университет архитектуры и строительства 07.08.2007 Код статьи: 1537 Испытания моделей фундаментов проводятся с целью определения напряженно-деформированного состояния, как основания, так и самих конструкций фундаментов, как правило, в условиях плоской или пространственной деформации. Для этой цели используются лотки, в которые укладывается естественный или искусственный грунт, моделирующий основание и затем основание нагружается моделью фундамента. В качестве модели фундамента применяются плоские, круглые или квадратные металлические штампы, сваи различного вида, подпорные и шпунтовые стенки и т.д., которые нагружаются внешней нагрузкой ступенями вплоть до потери устойчивости основания. В процессе опытов измеряются перемещения модели фундамента, контактные напряжения, напряжения и деформация основания в различных точках моделируемой толщи грунтового основания иногда и в конструкции модели фундамента. В большинстве случаев процесс нагружения моделей фундаментов и измерение напряжений и деформаций выполняется исследователем «вручную» с записью результатов в журнал испытаний для последующей их обработки. В зависимости от характера испытаний они могут продолжаться от нескольких часов до нескольких суток или месяцев /1/. С целью уменьшения трудоемкости испытаний для этой цели стали использовать автоматизированные системы, одна из которых была разработана в Новочеркасском политехническим институте в 1971 году под руководством профессора Мурзенко Ю.Н. /2/. В данной работе представлены результаты разработки подобной автоматизированной системы, но с использованием современных аппаратных и программных средств. Объектом разработки являются механическое устройство – лоток и программа, осуществляющая процесс автоматизированного управления стендом для исследования моделей фундаментов и анализа проведенных опытов. Цель работы – создание программного обеспечения для персональной ЭВМ, обеспечивающего управление стендом для исследования моделей фундаментов и анализа проведенных опытов. В ходе исследования определяются зависимости осадки поверхности основания от давления подошвы штампа, значения модуля деформации грунтового основания (E, МПа), коэффициент постели (ks, кН/м3) , осадка поверхности основания и предельное давление на основание (Pпред, МПа), в зависимости от типов моделей фундаментов и грунтового основания. Средства реализации – пакет Advantech GENIE 3.0, Borland Delphi 7.0. 20.06.2011 14:53 Стр. 2 из 7 В результате проектирования разработана программа, позволяющая проводить опыты и анализ проведенных опытов с моделями фундаментов в автономном режиме без прямого участия человека. Автоматизированный стенд для исследования моделей фундаментов представляет собой механическое устройство, управляемое компьютером. Стенд предназначен для использования в учебных, учебноисследовательских и научных работах в рамках учебного курса «Механика грунтов, основания и фундаменты». В настоящее время, в процессах испытаний строительных конструкций и материалов все больше применяется их автоматизация с использованием компьютерных технологий и программных средств для хранения и обработки полученных результатов. При использовании компьютерных технологий увеличивается производительность труда, уменьшается время, затрачиваемое на проведение испытаний и на обработку полученных данных. При проведении опытов с использованием средств компьютерной автоматизации не требуется от человека, проводящего испытание, углубленных знаний о методиках расчета характеристик испытываемых материалов и конструкций. Также, большим плюсом является то, что процессы испытания, порой, длящиеся до нескольких месяцев, могут проводиться без участия человека, автоматически изменяя условия протекания опыта, в зависимости от смены этапов. Благодаря особенностям конструкции лотка, пневмоцилиндр можно закреплять не только вертикально, но и под углом, что позволяет создавать наклонные и горизонтальные нагрузки на модели. Также имеются все необходимые средства для модификации стенда под испытание на выдергивание. Автоматизация данного стенда оказывает большой эффект в плане его производительности и точности испытаний. Благодаря автоматизации, исследователь, не обязан проводить опыты вручную, ошибаться при считывании показаний датчиков на стрелочных индикаторах, следить за готовностью стенда к следующему этапу нагружения или сутками следить за наступлением стабилизации вручную фиксируя все изменения в журнале. Вместо этого достаточно запрограммировать весь процесс, задав схему нагружения и параметры стабилизации. По завершении опыта, наглядный график покажет результаты опыта и поможет рассчитать деформационные характеристики грунта при различных видах моделей фундаментов. Конструктивно стенд представляет из себя металлический ящик – лоток и устройство статического нагружения в виде пневматического цилиндра (рис. 1). Внешняя нагрузка прикладывается к модели фундамента через шток пневмоцилиндра (рис. 3), поворачивая пневмоцилиндр можно прикладывать 20.06.2011 14:53 Стр. 3 из 7 Рис. 1. Конструкция лотка наклонную нагрузку. Передняя стенка лотка выполнена съемной, прозрачной из оргстекла. Лоток может из вертикального положения поворачиваться в горизонтальное. Для того чтобы грунт не высыпался из лотка на его поверхность устанавливается съемная крышка. При горизонтальном положении лотка прозрачная стенка снимается, в поверхность грунта по шаблону вдавливаются марки, посредством которых методом фотограмметрии проводятся наблюдения за деформацией массива основания. Метод параметрической фотометрии позволит фиксировать деформации грунта не на поверхности грунта, а в его толще, в плоскости прозрачной стенки лотка. В России данный метод практически не применяется, но активно используется учеными за рубежом. Рис. 2. Компьютер и блок нормирующих преобразователей Рис 3. Схема взаимодействия технических средств управления стендом 20.06.2011 14:53 Стр. 4 из 7 На рис. 3 показано взаимодействие технических средств управления стендом и измерения проходящих процессов во время испытаний. Управление автоматизированным стендом ведется с помощью персонального компьютера (ПЭВМ). Информация о состояниях датчиков давления и перемещений поступает в ПЭВМ от блока нормирующих преобразователей, задачей которого, так же является и управление состоянием электромагнитных клапанов в зависимости от поступающих команд с ПЭВМ. Рис 4. Пневмоцилиндр двойного действия а) камера со сжатым воздухом; б) камера со свободно выходящим воздухом; в) поршень; г) давление воздуха в верхней камере,кПа; д) шток, передающий нагрузку. кгс Для создания управляемой компьютером нагрузки на модель фундамента, в стенде используется пневмоцилиндр (рис. 4). Создаваемая пневмоцилиндром нагрузка, зависит от подаваемого на его поршень давления воздуха. Компьютер контролирует давление, с помощью блока электромагнитных клапанов, определяя датчиком давления необходимость сброса или подачи с компрессора воздуха для создания заданного уровня внешней нагрузки в кгс. Для перевода давления в силу используется градуировочная кривая, которая определяется с использованием динамометра с классом не ниже 0,5. Данный подход является оптимальным, если учесть тот факт, что модель фундамента во время испытания получает осадку, что способствует снижению заданного давления в пневмоцилиндре. Благодаря непрерывному отслеживанию уровня давления в пневмоцилиндре программой управления, возникающие потери давления (нагрузки) автоматически компенсируются. На рис. 5 показан алгоритм работы программы управления стендом в общем виде. Работа программы управения опытом начинается с предложения задать схему нагружения. Схема нагружения представляет собой последовательность задаваемых на модель фундамента нагрузок в 20.06.2011 14:53 Стр. 5 из 7 возрастающем или убывающем (цикл) порядке. Далее пользователь, предварительно подготовив стенд к испытанию, запускает опыт. Программа последовательно меняет ступени нагружения при достижении стабилизации осадки модели фундамента. В моменты стабилизации осадки показания приборов заносятся в журнал испытаний, по которым строятся кривые зависимости осадки поверхности основания и осадки модели фундамента от давления под подошвой модели. Программа позволяет пользователю выделить линейный участок зависимости осадка – давление для определения модуля деформации (круглая, прямоугольная, квадратная в плане модель фундамента) и коэффициент постели для ленточного (плоского) фундамента. Далее программой аппроксимируется данный участок методом наименьших квадратов до кривой первого порядка, затем по нему определяются значения модуля деформации грунтового основания (E, МПа) и коэффициент постели (ks, 3 кН/м ) в зависимости от типов моделей фундамента и грунтового основания. Предельное давление на основание (Pпред, МПа) определяется в момент разрушения основания. 20.06.2011 14:53 Стр. 6 из 7 Рис 5. Алгоритм программы управления стендом. 20.06.2011 14:53 Стр. 7 из 7 Рис. 6. Обработка результатов испытаний Литература 1. Вялов С.С. Реологические основы механики грунтов. – М.: Высш. школа, 1978. – 447 с. 2. Мурзенко Ю.Н. Расчет оснований зданий и сооружений в упруго-пластической стадии работы с применением ЭВМ. Л.: Стройиздат, Ленингр. отделение. 1989. – 135 с. 20.06.2011 14:53