Способ определения критического коэффициента интенсивности напряжения бетона после воздействия на него высоких температур Российский патент 2017 года по МПК G01N3/24 

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 4,75 4,36 3 4,10 4,37 Среднее значение 4,36 4,39 4 300 3,50 3,61 5 3,46 3,65 6 3,88 3,66 Среднее значение 3,61 3,64 10 500 2,40 2,09 11 2,35 2,10 12 2,27 2,09 Среднее значение 2,34 2,09 13 700 1,48 1,46 14 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.

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.

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.