Способ определения критического коэффициента интенсивности напряжения бетона после воздействия на него высоких температур

Авторы патента:

G01N3/24 - путем приложения постоянных сдвигающих усилий (G01N 3/26,G01N 3/28 имеют преимущество)

Владельцы патента RU 2621623:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный федеральный университет" (ДВФУ) (RU)

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано в научных и производственных лабораториях для определения критического коэффициента интенсивности напряжения в образцах бетона, используемого, например, в железобетонных элементах зданий и сооружений. Сущность: образец-призму бетона в возрасте 28 суток или более, хранившегося в нормальных условиях, подвергают прогреву в электрической печи со скоростью подъема температуры в 2^оС/мин до температуры от 100 до 700^оС, после чего выдерживают в течение 4-х часов при максимальной температуре, затем после естественного остывания в печи в образце образуют зону концентрации напряжения путем нанесения двух симметричных надрезов на одной грани образца бетона, после чего образец нагружают до разрушения, замеряют разрушающую нагрузку. Определяют критический коэффициент интенсивности напряжения по формуле

где Р – разрушающая нагрузка, MН; Y(l, b) – поправочный коэффициент; t – ширина образца, м; H – расстояние от надреза до грани образца, м; l - глубина надреза, l=b/4, здесь b - высота образца, м. Технический результат: повышение точности и достоверности определения критического коэффициента интенсивности напряжения путем образования зон концентраций напряжения в виде надрезов. 2 табл., 1 ил.

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано в производственных и научных лабораториях для определения критического коэффициента интенсивности напряжения в образцах бетона, используемого, например, в железобетонных элементах зданий и сооружений, подвергшихся воздействию высоких температур, например, при пожаре.

Известен способ определения критического коэффициента напряжения в образце (Rockmechanical - achallengeforsociety // Swets&ZeitlingerLisse, 2001. Р. 165-166. ISBN 9026518218), заключающийся в том, что в образце-полуцилиндре сечением в полукруг образуют зону концентрации напряжений, которую нагружают ассиметрично с противоположных сторон до разрушения, и по результатам измерения разрушающей нагрузки и параметров отломленного углового сегмента определяют критический коэффициент интенсивности напряжения, причем зоной концентрации напряжения в образце является надрез в виде полукруга с противоположных концов образца. Критический коэффициент интенсивности напряжения в образце определяют по формуле

(1)

где К_IIС – критический коэффициент интенсивности напряжения, МПа·м^0,5;

E – модуль упругости;

r – радиус образца в сечении, м;

– коэффициент Пуассона.

Недостатком данного способа является значительный разброс значений критического коэффициента интенсивности напряжения, сложность и трудоемкость образования зоны концентрации напряжения в образце.

Известен способ определения критического коэффициента интенсивности напряжения после воздействия на бетон высоких температур, например, при пожаре (Rockmechanical - achallengeforsociety // Swets&ZeitlingerLisse, 2001. Р. 164. ISBN 9026518218), заключающийся в том, что в образце бетона в форме полуцилиндра образуют зону концентрации напряжения, затем образец нагружают до разрушения по схеме центрального сжатия и по полученным данным определяют критический коэффициент интенсивности напряжения.

Недостатком данного способа является значительный разброс значений критического коэффициента интенсивности напряжения.

Задача, решаемая заявляемым способом, заключается в повышении точности и достоверности определения критического коэффициента интенсивности напряжения путем упрощения образования зон концентраций напряжения в образце бетона.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в повышении точности и достоверности определения критического коэффициента интенсивности напряжения путем предварительного образования зон концентраций напряжения в образце бетона.

Поставленная задача решается тем, что способ определения критического коэффициента интенсивности напряжения бетона после воздействия на него высоких температур, заключающийся в том, что в образце-призме бетона образуют зону концентрации напряжения, затем образец нагружают до разрушения по схеме центрального сжатия и по полученным данным определяют критический коэффициент интенсивности напряжения, отличается тем, что образец бетона в возрасте 28 суток или более, хранившегося в нормальных условиях, подвергают прогреву в электрической печи со скоростью подъема температуры в 2^оС/мин до температуры от 100 до 700^оС, после чего выдерживают в течение 4-х часов при максимальной температуре, затем после естественного остывания в печи в образце образуют зону концентрации напряжения путем нанесения двух симметричных надрезов на одной грани образца бетона, после чего образец нагружают до разрушения, замеряют разрушающую нагрузку и определяют критический коэффициент интенсивности напряжения по формуле

(2)

где Р – разрушающая нагрузка, MН; Y(l,b) – поправочный коэффициент, определяемый по таблице 1; t – ширина образца, м; H – расстояние от надреза до грани образца, м; l – глубина надреза, l=b/4, здесь b – высота образца, м.

Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками аналогов и прототипа свидетельствуют о его соответствии критерию «новизна».

При этом отличительные признаки решают следующие функциональные задачи.

Признак «образец бетона в возрасте 28 суток или более, хранившегося в нормальных условиях, подвергают прогреву в электрической печи со скоростью подъема температуры в 2^оС/мин до температуры от 100 до 700^оС» позволяет моделировать тепловое воздействие высоких температур, соответствующих условиям пожара.

Признаки «…после чего выдерживают в течение 4-х часов при максимальной температуре, затем после естественного остывания в печи в образце образуют зону концентрации напряжения…» обеспечивают отсутствие влияния нагрева образца на условия нанесения надрезов и напряженное состояние образца.

Признак, указывающий, что зону концентрации напряжения создают «путем нанесения симметричных надрезов на одной грани образца бетона», определяет способ образования зон концентраций напряжения в образце.

Признак, указывающий, что «образец нагружают до разрушения, замеряют разрушающую нагрузку», позволяет определить величину разрушающей нагрузки.

Приведенная математическая формула позволяет определить критический коэффициент интенсивности напряжения.

На чертеже показана схема испытаний образца бетона, где показаны образец-призма 1 бетона; надрезы 2; металлические пластины 3; плиты пресса 4.

Способ осуществляют следующим образом.

Образец-призму 1 бетона в возрасте 28 суток или более, хранившегося в нормальных условиях (п. 2.3.2 ГОСТ 10180-90), подвергают прогреву в электрической печи со скоростью подъема температуры в 2^оС/мин до температуры от 100 до 700^оС, после чего выдерживают в течение 4-х часов при максимальной температуре. Затем после естественного остывания в печи в образце-призме 1 бетона образуют зону концентрации напряжения, для чего наносят инициаторы трещин в виде симметричных надрезов 2 глубиной l, определяемой из выражения l=b/4, где b – высота образца-призмы 1, с помощью режущих инструментов.

При испытании на центральное сжатие в соответствии с п. 5.2 ГОСТ 10180-90 образец-призму 1 бетона устанавливают на нижнюю опорную плиту пресса 4 центрально относительно его продольной оси, причем грань с надрезами 2 контактирует с верхней опорной плитой пресса 4, с использованием рисок, нанесенных на нижнюю плиту пресса 4, и дополнительные стальные пластины 3 для более равномерной передачи усилия на образец-призму 1. Образец-призму 1 сжимают прессом 4.

Нагружение образца-призмы 1 при центральном сжатии осуществляют до момента разрушения и регистрируют значение силы Р. Значение критического коэффициента интенсивности напряжения на поперечный сдвиг К_IIС определяют по формуле (2).

Таблица 1. Определение коэффициента Y

H/t l/b	0,37	0,25	0,12
0,1	1,2	1,1	1,07
0,2	1,26	0,99	0,9
0,3	1,3	0,95	0,76
0,4	1,32	0,95	0,65

Результаты испытаний приведены в таблице 2.

Таблица 2. Результаты испытаний

№ образца	Температура нагрева, ^оС	Критический коэффициент интенсивности напряжения, К_IIC, МН/м^3/2
в образце по прототипу	заявляемый способ
1	100	4,24	4,45
2	100	4,75	4,36
3	4,10	4,37
Среднее значение	4,36	4,39
4	300	3,50	3,61
5	300	3,46	3,65
6	3,88	3,66
Среднее значение	3,61	3,64
10	500	2,40	2,09
11	500	2,35	2,10
12	2,27	2,09
Среднее значение	2,34	2,09
13	700	1,48	1,46
14	700	1,56	1,44
15	1,34	1,37
Среднее значение	1,46	1,42

Явление концентрации напряжений объясняется тем, что усилия передаются по наиболее короткому пути, что обеспечивает минимум затрат внутренней энергии тела. В результате бетон, прилегающий к надрезу, воспринимает дополнительные усилия, передающиеся с материала, окружающего надрез. Значение критического коэффициента концентрации напряжений практически не зависит от уровня напряжений и физико-механических свойств бетона, а определяется геометрией образца, способом нагружения и относительными размерами зон концентрации.

При наличии концентрации напряжений существенно снижается деформация образца с концентратором по сравнению с деформацией гладкого образца, что связано с локализацией деформации у концентратора напряжений.

Результаты испытаний позволяют сделать вывод о том, что заявленный способ по сравнению с прототипом обеспечивает повышение точности определения критического коэффициента интенсивности напряжения в образце, упрощает выполнение подготовки образца к испытаниям, не требует использования дополнительных приборов, что уменьшает трудоемкость испытаний.

Заявляемый способ может найти применение в научных и производственных испытательных лабораториях для оценки долговечности бетонных конструкций.

Способ определения критического коэффициента интенсивности напряжения бетона после воздействия высоких температур, заключающийся в том, что в образце-призме бетона образуют зону концентрации напряжения, затем образец нагружают до разрушения по схеме центрального сжатия и по полученным данным определяют критический коэффициент интенсивности напряжения, отличающийся тем, что образец бетона в возрасте 28 суток или более, хранившегося в нормальных условиях, подвергают прогреву в электрической печи со скоростью подъема температуры в 2^оС/мин до температуры от 100 до 700^оС, после чего выдерживают в течение 4-х часов при максимальной температуре, затем после естественного остывания в печи в образце образуют зону концентрации напряжения путем нанесения двух симметричных надрезов на одной грани образца бетона, после чего образец нагружают до разрушения, замеряют разрушающую нагрузку и определяют критический коэффициент интенсивности напряжения по формуле

где Р – разрушающая нагрузка, MН; Y(l,b) – поправочный коэффициент; t – ширина образца, м; H – расстояние от надреза до грани образца, м; l – глубина надреза, l=b/4, здесь b – высота образца, м.

Способ оценки прочности при сдвиге клеевого соединения керамического обтекателя // 2620775

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для контроля и исследования прочности при сдвиге клеевых соединений оболочек типа тел вращения.

Образец для определения модуля упругости и предела прочности высокомодульных углепластиков при сдвиге в плоскости листа // 2617776

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к образцам, и позволяет испытывать полимерные композиционные материалы (ПКМ) на сдвиг в плоскости листа, а точнее высокомодульные углепластики, с укладкой слоев под углом ±45°.

Способ определения коэффициента надреза // 2610576

Изобретение относится к области обработки металлов резанием. Способ включает шаговую резку наклонными ножами клиновых листовых образцов в направлении увеличения их ширины, регистрацию усилия резания и определение ширины образца при каждом резе, на основании которых строят график зависимости усилия резания от ширины зоны резания, по которому устанавливают минимальное значение ширины образца в зоне резания, где усилие резания достигает максимального значения.

Стенд для исследования энергообмена при сдвиге // 2608695

Изобретение относится к испытательной технике, к устройствам для испытания материалов, в частности горных пород, при исследовании энергообмена в массиве горных пород с целью прогноза и предотвращения опасных динамических явлений.

Способ контроля узла соединения керамического обтекателя // 2584439

Изобретение относится к технике наземных испытаний элементов летательных аппаратов (ЛА). Сущность: осуществляют силовое нагружение на сдвиг и измерение деформаций соединения.

Устройство для испытания материала на сдвиг и кручение при скорости деформации 102-105 с-1, способ определения зависимости максимального касательного напряжения от деформации сдвига в образце материала в виде сплошного цилиндрического стержня и способ определения зависимости напряжения от деформации сдвига в образце материала в виде тонкостенной цилиндрической трубы с использованием этого устройства // 2584344

Изобретение относится к испытательной технике, к устройствам для испытаний материалов на сдвиг и кручение и может быть использовано в машиностроении. Устройство содержит нагружающий и опорный стержни, снабженные тензодатчиками, между которыми размещен образец.

Способ установления предельного состояния деформируемой материальной среды // 2555504

Изобретение относится к физике материального контактного взаимодействия, конкретно к способу установления предельного состояния деформируемой сжимающей и растягивающей нагрузкой материальной среды.

Способ определения предела прочности и модуля упругости при сдвиге клеевых соединений металлических образцов при индукционном нагреве // 2548607

Изобретение относится к методам определения механических характеристик клеевых соединений при интенсивных тепловых воздействиях. Сущность: осуществляют индукционный нагрев образца клеевого соединения до заданной температуры со скоростью 5-50°C/с и определяют искомые характеристики.

Устройство для испытания образцов материалов на совместное действие усилий растяжения, среза и изгиба // 2548391

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для испытания образцов строительных материалов на совместное действие усилий растяжения, среза и изгиба, и позволяет испытывать образцы материалов при различных комбинациях нагружения их усилиями растяжения, среза и изгиба в совокупности с разрывной машиной.

Образец для испытаний сотового заполнителя // 2634020

Изобретение относится к исследованию прочностных свойств материалов и может применяться при аттестации сотовых структур при изготовлении трехслойных конструкций кораблестроения, авиастроения и космической техники. Образец включает два одинаковых блока сотового заполнителя с приклеенными к их торцевым поверхностям обшивочными элементами, установленными между боковыми и центральной металлическими пластинами. Через пластины передается нагружение при испытаниях. Центральная и боковые пластины со стороны, противоположной приложению нагрузки при испытаниях, содержат выступы за пределы блока сотового заполнителя с образованием ступеньки. Высота ступеньки превышает толщину обшивочного элемента и выполнена с плотным прилеганием к торцу обшивочного элемента. Обеспечивается увеличение надежности испытания и снижение расходов материала при аттестации сотового заполнителя. 2 ил.

Устройство для определения предела прочности снежного покрова на лавиноопасных склонах // 2644445

Изобретение относится к устройствам для оценки механических и прочностных характеристик снежного покрова непосредственно в месте непосредственного залегания на лавиноопасных склонах горнолыжных комплексов. Устройство содержит цилиндр, внутри которого размещен шток, с наконечником, выполненным в виде нагрузочного диска, метательное устройство пружинного типа, оснащенное фиксатором поджатия пружины и спусковым устройством, а также тензометрическими датчиками, подключенными к измерителю. К основанию цилиндра жестко прикреплена металлическая тонкостенная обойма, у которой внутренний диаметр равен внутреннему диаметру цилиндрического корпуса. При этом устройство содержит дополнительно демпфер, выполненный в виде упругого кольца, который размещен в полости цилиндра между штоком и нагрузочным диском. Упругое кольцо жестко прикреплено к центру диска, а верхней частью - к штоку, при этом тензометрический датчик размещен на боковой поверхности упругого кольца в месте наибольшего его изгиба при воздействии силовой нагрузки. Упругое кольцо изготовлено из ленточной пружинной стали, а нагрузочный диск выполнен из пластика или дерева. Устройство позволяет в полевых условиях с высокой точностью получать репрезентативные значения мгновенной прочности снега на одноосное сжатие без возможности бокового расширения. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.