СПОСОБ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТАТИКО-ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК БЕТОНА В УСЛОВИЯХ ЦИКЛИЧЕСКИХ НАГРУЖЕНИЙ
METHOD OF EXPERIMENTAL DETERMINATION OF STATIC-DYNAMIC CHARACTERISTICS OF CONCRETE UNDER CONDITIONS OF CYCLIC LOADING

b
bt
Изобретение относится к строительству, в частности к определению параметров деформирования бетона в условиях циклических нагружений до уровня, не превышающего предела прочности бетона на сжатие R и на растяжение R.
Проектирование железобетонных конструкций ведут с учетом статического приложения нагрузки, при этом используя призменную прочность бетона, определяемую в ходе постепенного (ступенями) нагружения бетонных образцов с использованием пресса. Определение прочности бетона на растяжение осуществляется с использованием разрывной машины [1]. Недостатками данных способов являются как относительно невысокая скорость нагружения бетонных образцов, так и невозможность приложения кратковременных динамических или статических нагрузок на образец.
При расчете строительных конструкций на взрывные и ударные нагрузки используют величины предела прочности и предельных деформаций бетонных образцов, определяемые в момент их разрушения при динамическом нагружении и превосходящие аналогичные величины, найденные в ходе статического испытания. При многократном приложении нагрузок на конструкцию работа бетона характеризуется величинами, получаемыми в результате экспериментальных испытаний в условиях циклических статико-динамических нагружений.
Одним из решений, позволяющих проводить испытание бетона на динамические нагружения, является пневмодинамическая установка для высокоскоростного нагружения бетонных призм [2]. Недостатком этого решения является невозможность создания условий кратковременных циклических нагружений бетонного образца.
Существует решение, позволяющее проводить испытание материала в условиях многократных нагружений, - способ циклического нагружения материала, заключающийся в том, что создают в трубчатом образце материала растягивающие напряжения по различным осям путем приложения к нему осевой силы, внутреннего давления и крутящего момента. В данном способе к торцу образца прикладывают осевые усилия, уравновешивающие осевую составляющую внутреннего давления, осевую силу и внутреннее давление прикладывают в противофазе к нулевому циклу, а крутящий момент - с отставанием по фазе [3].
Недостаток этого решения заключается в том, что для получения призменной прочности бетона необходима дополнительная математическая обработка данных, полученных в результате эксперимента, что повышает погрешность вычислений. Кроме того, состав рабочей жидкости, используемый для создания нагружения, может повлиять на прочностные характеристики испытываемого материала. Данный способ не позволяет также осуществлять кратковременные динамические нагружения.
Наиболее близким решением к заявленному изобретению является способ экспериментального определения статико-динамических диаграмм бетона, в котором мгновенное или ступенчатое динамическое догружение осуществляется падающим при уменьшении силы тока в электромагните грузом [4]. Условия циклического нагружения создаются посредством многократного догружении грузами.
Недостаток данного решения заключается в ограниченном количестве циклов; в невозможности осуществления многократных статических нагружений; в невозможности заранее задавать последовательность и величину прилагаемых нагрузок.
Технический результат изобретения - упрощение способа испытания, расширение функциональных возможностей экспериментального определения статико-динамических характеристик бетона в условиях циклических нагружений, заключающееся в чередовании приложения статических и динамических нагрузок на образец.
Технический результат достигается тем, что в способе экспериментального определения статико-динамических характеристик бетона в условиях циклических нагружений, заключающемся в закреплении опытного бетонного образца в виде призмы в зажимах испытательного стенда с использованием центрирующего устройства, обеспечивающего центральное приложение нагрузки в процессе нагружения, и регистрации усилия и деформаций призмы во времени с использованием динамометра и тензостанции, согласно изобретению нагружение осуществляют через рычажную систему в два этапа: на первом - ступенчатое статическое нагружение образца до заданного уровня посредством укладки штучных грузов на грузовую платформу, на втором - многократное мгновенное или ступенчатое динамическое нагружение посредством вращения и кратковременного изменения диаметра оси в месте соединения рычага и компенсирующего элемента. Чередование динамических и статических циклических нагрузок осуществляется посредством смещения оси.
На фиг.1а представлена схема устройства для реализации предлагаемого способа при испытании на растяжение. На фиг.1б представлена схема устройства для испытании на сжатие. На фиг.2а представлены схемы вариантов поперечного сечения оси. На фиг.2б представлены схемы взаимодействия рычага и оси. На фиг.4 представлена схема нагрузок, действующих на рычаг при испытании на растяжение.
Специально сконструированная установка включает станину 1, устройства для центрирования и захвата образца 2, рычаг 4 для передачи усилия на испытуемый образец 3, соединенный через стойку 5 со станиной 1, компенсирующий элемент 6, опирающийся на станину 1 и соединенный с рычагом 4 посредством оси 7, металлический шар 10, болт 9, грузовую платформу 8 для приложения статической нагрузки, штучные грузы.
Компенсирующий элемент 6 представляет собой пружину либо динамометрическое кольцо, жесткость которого заранее определяется тарировкой.
Ось 7 представляет собой металлический стержень с разными формами поперечных сечений.
Диаметр отверстия в рычаге 4 превышает больший диаметр сечения оси 7.
Металлический шар 10 и различность форм поперечных сечений оси 7 необходимы для осуществления кратковременного статического или динамического нагружения образца 3.
Болт 9 необходим для ограничения перемещения металлического шара 10 в момент резкого нагружения и разгружения при повороте оси 7.
Способ осуществляется следующим образом.
Нагружение осуществляют через рычажную систему в два этапа. На первом этапе создают усилие в компенсирующем элементе 6 посредством укладки штучных грузов 11 на грузовую платформу 8. При этом шар 10 опирается на ось 7. На втором этапе закрепляют испытуемый образец 3 в зажимах 2, затем осуществляют многократное статическое или динамическое нагружение посредством вращения и кратковременного изменения диаметра оси в месте соединения рычага и компенсирующего элемента. В случае необходимости испытания образца в условиях статических циклических нагрузок после испытания в условиях динамических циклических нагрузок осуществляют смещение оси.
В процессе проведения испытаний динамометром измеряют усилие, действующее на образец, а параметры деформирования самого образца при статическом или динамическом нагружении в условиях циклических нагрузок измеряются при помощи тензостанции, оборудованной встроенным тензоусилителем, позволяющим подключать тензодатчики без использования промежуточных усилителей, и имеющей возможность при подключении к компьютеру и использовании специализированного программного обеспечения записывать и отображать преобразованные сигналы нескольких входных каналов в зависимости от времени.
В случае статического нагружения при испытании на растяжение нагрузка, действующая на образец, определяется по формуле:
<mrow><mi>N</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>P</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>l</mi><mo>−</mo><mi>a</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><mi>K</mi><mi>b</mi></mrow><mi>a</mi></mfrac></mrow>
,
a
где P - приложенная нагрузка; K - усилие в компенсирующем элементе; l - длина рычага 4; , b - расстояния от стойки 5 до образца 3 и до упругого элемента 6 соответственно.
В случае динамического нагружения происходит резкое перераспределение нагрузки с компенсирующего элемента 6 на образец 3.
На фиг.3 представлены диаграммы «напряжение (σ) - деформация (ε)» для бетона, работающего в условиях циклических нагружений для разных типов сечений оси 7.
Источники информации
1. ГОСТ 24452-80 Бетоны. Методы определения призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона - М.: НИИЖБД982. - 15 с.
2. Баженов Ю.М. Бетон при динамическом нагружений. - М.: Стройиздат, 1970. - 272 с.
3. Авторское свидетельство СССР №1619117 A1, кл. G01N 3/32, 1987.
4. Патент РФ №2482480, кл. G01N 3/00, 2006.