Metodyka prowadzenia badań obudowy w skali naturalnej na przykładzie unikalnych stanowisk do statycznych i dynamicznych badań stalowych obudów odrzwiowych

(1)

Seria: GÓRNICTWO z. 205 Nr kol. 1179

K a z i m i e r z RUŁKA B o h d a n SAWKA

Główny Instytut Górnictwa, Katowice

METODYKA PROWADZENIA BADAŃ OBUDOWY W SKALI NATURALNEJ NA PRZYKŁADZIE UNIKALNYCH STANOWISK DO STATYCZNYCH I DYNAMICZNYCH BADAN STALOWYCH OBUDÛW ODRZWIOWYCH

S t r e s z c z e n i e . W artykule przedstawiono metodę stanowiskowych badań stalowej odrzwiowej obudowy hodnikowej, poddanej działaniu obciążenia statycznego oraz sposób wyznaczenia, na podstawie danych pomiarowych, parametrów wytrzymałościowych, nośnościowych i współczynników określa

jących techniczne charakterystyki pracy badanych odrzwi obudowy.

THE M E T H O D ICS OF CONDUCTING INVESTIGATIONS OF THE SUPPORT IN NATURAL SCALE ON THE EXAMPLE OF UNIQUE TEST STANDS FOR THE STATIC AND DYNAMIC TESTING OF STEEL SETS OF MINE ROADWAY SUPPORT

Sum m ary. In the paper has been presented a method of test stand in

vestigations of steel roadway support,subjected to the operation of sta

tic load, and a method of determining, on the basis of the measument d a  ta, of the strength and load-capacity parameters, as well as the coeffi

cients determing the technical work characteristics of double timber sets of the lining.

M E T C W i K A BESEffilH H C I M D A H H Ë K P E I M B E C I E C Ï B E H H 0 M MACfflTABE H A n P H M E E E yffiîKAJIBHHX CTEHflOB £JIH C T A T H H E C K H X H JUiHAMKr- H E C K H X HCIIbITAHHÎÎ CTAJIBHHX P A M H H X KPEIffiH

P e 3 » M e . B c T a i b e n p e f l C T a B J i e H m s t o a H c n u T a H H it H a c i e H n e c T a J i b H O g p a M H o ii K p e n a , n o ^ B e p r H y T o f t B 0 3 fle ftc T B H K > c i a T H H e c - K O ił H a r p y 3 K H , a T a i c x e c n o c o f i o n p e n e j i e H H H H a o c H o s a H H H H 3 - M e p H T e jiB H H x n a H H H x , n p o H H O C T H H x h H â r p y 3 0 H H H x n a p a M e T p o B H K 0 3 C & *H IiH eH T 0 B OIipe,HejIH30mHX peJCHM p a Ô O T b l H C n H T H B ae M O K p a M H O ü K p e i r n .

(2)

242 K. Rułka, B. Sawka

Wprowadzenie do stosowania w kopalniach nowych typów odrzwiowej, stalowej obudowy chodnikowej z kształtowników o profilu V stworzyło warunki, w których projektant wyrobisk chodnikowych i użytkownik obudowy posiada obecnie możliwości wyrobu nieporównywalnie większej liczby wariantów w zakresie zarówno rodzaju i typu obudowy, jak i wielkości kształtownika, gatunku stali i wielkości kształtownika, rodzaju akcesoriów itd. Aby możliwy był prawidłowy i adekwatny do konkretnych warunków geologiczno-górniczych dobór obudowy, niezbędna jest między innymi znajomość jej parametrów technicznych i chara

kterystyk pracy oraz wpływu, jakie na nie mają czynniki wynikające zarówno z cech konstrukcyjnych obudowy, jak i ogólnie biorąc z warunków jej współpracy z górotworem i sposobu jego oddziaływania na obudowę. Niezbędne jest zatem prowadzenie kompleksowych, stanowiskowych badań obudów chodnikowych w celu określenia ich parametrów wytrzymałościowo - nośnościowych oraz charaktery

styk pracy.

Fot.l. Stanowisko do badań stalowej, odrzwiowej obudowy chodnikowej przy obciążeniu statycznym

Photograph 1. Test stand for the testing of steel sets of mine roadway support under a static load

(3)

W celu realizacji takich badań zbudowano, a ostatnio zmodernizowano spe

cjalne, unikalne stanowisko badawcze (fot.l). W stanowisku tym możliwe jest odwzorowanie w warunkach laboratoryjnych oddziaływania górotworu na odrzwia obudowy w płaskim układzie obciążeń działających na pojedyncze odrzwia lub w układzie przestrzennym jednocześnie na kilka (do lOm) odrzwi o wielkościach

2 odpowiadających powierzchni przekroju odrzwi do 30m .

Realizacja tych badań wymagała opracowania odpowiednich metod badawczych, które z jednej strony zapewniłyby możliwie dokładne odwzorowanie rzeczywistej współpracy obudowy z górotworem w wyrobisku, a z drugiej strony umożliwiłyby uzyskanie jak największej liczby danych odnośnie do parametrów wytrzymało- -ściowych i nośnościowych odrzwi i ich charakterystyk obciążeniowo - deforma- cyjnych.

Opracowana i stosowana w GIG metoda UMBO [1] stanowiskowych badań łukowych odrzwi obudowy chodnikowej pozwala na wyznaczenie tych - parametrów i chara

kterystyk, co umożliwia ocenę, kontrolę jakości i porównanie różnych wielko

ści, odmian, typów i rozwiązań konstrukcyjnych odrzwi. Metoda UMBO, w zależności od sposobu połączenia elementów odrzwi w złączach, przewiduje badania odrzwi w stanie usztywnionym i w stanie podatnym.

Badania odrzwi w stanie usztywnionym. Odrzwia przed próbą usztywnione są we wszystkich złączach przez ich zablokowanie w taki sposób, aby uniemożliwić zsuw odrzwi pod wpływem działania na odrzwia obciążenia zewnętrznego. Po umieszczeniu odrzwi w stanowisku zastabilizowane są one poprzecznie co naj

mniej w 5 punktach rozmieszczonych symetrycznie względem osi odrzwi, ustawia się siłowniki hydrauliczne zgodnie z przyjętym schematem obciążeń oraz pod  łącza aparaturę pomiarową (przetworniki). W czasie badania w interwale czasowym t = 20 s rejestruje się wartości następujących parametrów: zmniej

szenie wysokości odrzwi (y), wartości sił czynnych (F = + F,_ + F & ), w ar

tości sił biernych (Ffc = Fj + + F 3 + F? + Fg + Fg ), wartości reakcji pod

parcia odrzwi (Rj + zmianY przemieszczeń punktów pomiaru deformacji odrzwi i czas trwania badania.

Badania odrzwi w stanie podatnym. Badania te prowadzi się na odrzwiach przygotowanych tak samo jak do badań w stanie usztywnionym, lecz bez zabloko- kowania zsuwu odrzwi w złączach. W trakcie próby rejestruje się takie same parametry jak w próbie odrzwi w stanie usztywnionym oraz dodatkowo wartości zsuwu odrzwi w poszczególnych złączach.

Obliczanie wyników badań. Przyjęta metoda badań bazuje na zautomatyzowanym systemie pomiarowym, sprzężonym ze skomputeryzowanym układem zbierania, prze-

(4)

Fot.2. Układ pomiaru, zbierania, przetwarzania i rejestracji danych pomiarowych stanowiska badawczego

Photograph 2. A system for the measuring, processing and registration of the measurement data of the test stand

twarzania i rejestracji danych pomiarowych, pracującym w cyklu repetycji po

miarów t s 20 s i czasie próbkowania t < 100 ms (fot. 2).

W b a d a n i a c h o d r z w i w s t a n i e u s z t w y n io n y m wyznaczane są następujące para

metry i zależności:

- nośność maksymalna, obliczona wg wzoru:

F = (F. + F + F ) , (1)

max 4 5 6 max

gdzie:

F^, F,_, F & - maksymalne wartości sił czynnych

- zmniejszenie wysokości odrzwi (yn ) P rzy obciążeniu czynnym równym Fm a x >

- umowna praca odkształcenia odrzwi, obliczona wg wzoru:

A = F • y , (2)

nu max n

- całkowita praca odkształcenia odrzwi, obliczona wg wzoru:

"n ■

E

^{' *1 '}

A_ = • A = • (3)

i=l

(5)

gdzie:

m

A i = _i_— [F i( S. ) + F i(S. + AS.) ] ’ —_L _i ₁ ₁ _J T ' ⁽⁴⁾ m=l

gdzie:

F i (S. ) 1 F i(S.+ AS ) " chwilowe wartości i-tej siły czynnej,

S. i AS^ - chwilowa wartość i chwilowy przyrost wartości wysuwu i-tego si

łownika siły czynnej F^,

- średnia odkształcalność odrzwi, obliczona ze wzoru:

max

- wskaźnik nośności maksymalnej odrzwi, obliczony wg wzoru

= —jnax_ (6)

10 m

c gdzie:

m - całkowita masa odrzwi, c

- maksymalne obciążenie bierne, obliczone wg wzoru:

Fb = (F1 + F2 + F3 + F7 + F8 + F9 }max • (7) max

w którym

Fj Fg - wartości sił biernych odpowiadające sile Fmax .

W b a d a n i a c h o d r z w i w s t a n i e p o d a tn y m wyznaczone są następujące parametry i zależności:

- nośność robocza odrzwi (F.,), obliczona wg wzoru N

Jz

i J

F = -i (8)

N Jz

gdzie:

F , - nośność odrzwi bezpośrednio przed j-tym zsuwem, zj

j - liczba zsuwów w złączach w czasie całego badania,

(6)

246 K. R u ł k a , B. S a w k a

- maksymalna i minimalna nośność zsuwna (F i F ) odrzwi, czyli maksy- max min

malne i minimalne obciążenie czynne (Fc ) jako odrzwia przenoszę bezpośre

dnio przed ich zsuwami w złączach,

- łączny zsuw odrzwi w poszczególnych złączach (£ Z ^ j ) , obliczony wg wzoru:

y z, . = r z , +

t

z 0 + r z 0 + yz.

Ł 1+J

L.

1

Lu

2 ^ 3

J

całkowite zmniejszenie wysokości odrzwi (Y p ), wyznaczone wg wzoru:

- r * , .

gdzie:

Aj - wyznacza się jak we wzorze (4),

umowna podatność zsuwna (k ^ ) odrzwi, wyznaczona ze wzoru:

gdzie:

k. wyznacza się ze wzoru (19), o

(9)

y = H - H. , (10)

p w k

gdzie:

i - odpowiednio wstępna i końcowa wysokość odrzwi,

- liczba zsuwów w złączach (j )>

- umowna praca zsuwu odrzwi (A ), obliczona wg wzoru:

Ap = F.. • y , (11)

u N p

- całkowita praca zsuwu odrzwi (A ), obliczona wg wzoru:

n P

A = / A, , (12)

P \= l

k = --- , (13)

F c(y)

umowna średnia zsuwność odrzwi, obliczona wg wzoru:

k 6

k ? = -= A- , (14)

N

(7)

- współczynnik początkowej nośności (k^) odrzwi, obliczony wg wzoru:

FN

k_ = (15)

3 F N

- stopień wykorzystania maksymalnej nośności odrzwi (k^), obliczony wg wzoru:

k 4 = FN , (16)

max

- stopień odciążenia odrzwi (kg), obliczony ze wzoru:

Fz2 .

k 5 = r r ~ • ( 1 7 )

21j

- średni stopień odciążenia odrzwi (kgs ), obliczony ze wzoru:

L

^k5

k 5s = - i — , (18)

- średni zsuw odrzwi (k,), obliczony ze wzoru:

O

— ■

- stopień wykorzystania podatności zsuwnej odrzwi (k^), obliczony ze wzoru:

k? = —

y t

, (20)

P gdzie:

y - teoretyczne zmniejszenie wysokości odrzwi spowodowane zsuwem ) z .,

t L, 1 - r j

- średnia odkształcalność odrzwi (kg), obliczona wg wzoru:

y

kg = -^2- , (21)

N

- wskaźnik nośności roboczej odrzwi (k^j), obliczony wg wzoru:

(8)

Przedstawiona powyżej metoda UMBO ujęta w projekcie polskiej normy P CS N- 119-90 stosowana jest od 1989 r. w stanowiskowych badaniach stalowej odrzwiowej obudowy chodnikowej ŁP-V, przy czym wg tej metody zrealizowano ponad 100 serii badań różnych odmian obudowy [23. Wyniki tych badań potwierdziły skuteczność metody zarówno w odniesieniu do badań o charakterze poznawczym (badania kontrolne i atestacyjne). Stosowany w ramach tej metody program 0BCH0D-1, na podstawie którego realizowany jest skomputeryzowany system zbierania i przetwarzania danych pomiarowych, umożliwia pełną realizację pomiarów, rejestrację danych, ich przetwarzanie, archiwizację i dokumentowanie.

W celu prowadzenia badań dynamicznej odporności stalowej odrzwiowej obudowy chodnikowej w skali naturalnej, w końcowej fazie budowy, znajduje się specjalne stanowisko badawcze GIG. W stanowisku tym możliwa będzie realizacja badań kompletnych odrzwi obudowy oraz ich elementów (zginanie prostych odcinków kształtowników, charakterystyka pracy złącz odrzwi it d. ) poddanych dynamicznemu obciążeniu udarem masy o energii udaru do 1000 kJ.

Wyniki wstępnych badań odrzwi i elementów obudowy przy obciążeniach dynamicznych, realizowanych wg opracowanych w GIG-u metod badawczych podano w pracy [3].

LITERATURA

[1] Sawka B. i inni: Ujednolicona metoda stanowiskowych badań stalowych odrzwi łukowej podatnej obudowy chodnikowej ŁP. Praca GIG nr 1.3.3.1/6 IV. 1990 (nie publikowana).

[2] P erek J ., Sawka B.: Nośność stalowych łukowych obudów odrzwiowych w świetle badań stanowiskowych. Prace Naukowe Instytutu Geomechaniki Poli

techniki Wrocławskiej. Zeszyt nr 54/25. Wrocław 1989,

[3] P erek J ., Sawka B.: Dynamiczna odporność odrzwi podatnej obudowy chodni

kowej i ich elementów w świetle badań modelowych i w skali naturalnej.

Prace Naukowe Instytutu Geotechniki Politechniki Wrocławskiej. XIV Zimowa Szkoła Mechaniki Górotworu. Marzec 1991.

Recenzent: Prof. dr hab. inż. K a z i m i e r z RUŁKA

Wpłynęło do Redakcji w styczniu 1992 r.