Rázové kyvadlo

Vedle statického zatížení, které působí na všechny konstrukce bez výjimky, se v poslední době relativně často vyskytují i případy lokálních dynamických zatížení. Takovými mohou být například rázy nahodilých předmětů, nárazy vozidel nebo fragmenty generované haváriemi technologických zařízení.

V Experimentálním centru Fakulty stavební probíhá výzkum a vývoj kompozitních materiálů, které dokáží absorbovat a disipovat maximum kinetické energie dopadu a tím dokáží snížit škody na majetku a újmy na zdraví a životech osob. Pro návrh takových materiálů je nutné provést celou řadu experimentů na zařízení, které je schopné dostatečně přesně simulovat lokální dynamický účinek s velmi dobrou interpretací výsledků a opakovatelností jednoho měření.

Rázové zatížení je velmi rychlý dynamický jev, který je charakteristický nadmíru vysokým výkmitem síly ve velmi krátkém časovém okamžiku. Tato síla má mnohem větší účinek na materiály a konstrukce než by měla síla o nižší amplitudě, která by na konstrukci působila v delším časovém intervalu.

Odezva materiálů a konstrukcí na rázová zatížení je v důsledku velmi rychlého průběhu síly odlišná, ve srovnání s kvazi statickým zatěžováním. Mnoho materiálů se při rázovém zatížení chová více křehce, než je tomu při kvazi statickém zatěžování. Většina nárazové síly se při vysokorychlostním zatížení spotřebuje na lom materiálu, než aby se spotřebovala na deformaci zatěžovaného prvku. Obecně lze konstatovat, že materiály jsou při vyšších rychlostech deformace více náchylné ke křehčímu chování, než v případě kvazi statické rychlosti deformace. Mnohokrát bylo potvrzeno, že duktilní způsob porušení v tahu ohybem při kvazi statickém zatížení se dokáže při rázu ve stejném zatěžovacím schématu změnit v křehký smyk.

Odezva na rázové zatížení je v Experimentálním centru Fakulty stavební ČVUT v Praze monitorována na speciálně vyvinutém zařízení, které funguje na principu rázového kyvadla. Ráz je obecně definován jako kolize dvou pohybujících se těles. V tomto případě jde o kolizi jednoho pohybujícího se tělesa se známou rychlostí a druhého tělesa (zkoušeného vzorku), které je v okamžiku rázu v klidu. Podstatou zařízení je, že zatěžování vzorků probíhá v horizontální rovině, což je velmi blízké skutečným podmínkám a nedochází tak k opakovaným dopadům závaží na jeden vzorek. Měření probíhá vytažením závaží do požadované výšky a jeho následným uvolněním. Závaží opisuje dráhu kružnice až do spodní úvrati, kde narazí do připraveného vzorku. Samotné měření účinků rázu je realizováno pomocí piezoelektrických snímačů zrychlení, síly a poměrného přetvoření, které dokáží snímat odezvu prvku s frekvencí až 1 MHz. Měření je možné doplnit záznamem z vysokorychlostní kamery, která je umístěna přímo nad samotným vzorkem. Samotné zařízení je sestaveno tak, aby na něm mohli být testovány různorodé konstrukční prvky, u kterých je potřeba uplatnit vysokou schopnost absorpce a disipace energie rázu, nebo ověřit jejich chování při lokálním dynamickém zatížení.