Строительство Строительная механика
Малашкин Ю.Н., доктор технических наук, профессор
Безгодов И.М., ведущий научный сотрудник
Цветков К.А., аспирант (Московский государственный строительный университет)
МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФОРМАТИВНО-
ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК БЕТОНА ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ В УСЛОВИЯХ СЛОЖНЫХ НАПРЯЖЕННЫХ СОСТОЯНИЙ
Изучение деформативно-прочностных характеристик конструкционных материалов тесно связано с совершенствованием инженерных расчетов, а следовательно повышением экономичности проектных решений и надежности работы строительных конструкций, а также зданий и сооружений в целом.
Установлено, что для материалов с неоднородной структурой, к которым относится в первую очередь бетон, деформативно-прочностные характеристики зависят от вида напряженного состояния и скорости приложения нагрузки. Очевидно, что для успешного решение задачи неизбежно проведение экспериментальных исследований при различных видах напряженного состояния (одноосном сжатии и растяжении, двухосном, трехосном и неоднородных напряженных состояниях) в широком диапазоне скоростей (длительные, кратковременные и динамические испытания).
В «Лаборатории экспериментальной механики бетона» МГСУ авторами была разработана серия испытательных стендов, позволяющих проводить динамические и кратковременные испытания на сжатие и растяжение. Дополняя стенды мембранными установками, можно проводить испытания при сложных напряженных состояниях: 2-х и 3-х осном сжатии, напряженных состояниях «сжатие-растяжение» и «два сжатия - растяжение», где осевая нагрузка может прикладываться как статически, так и динамически, а нагрузка в направлении а2 и а3 прикладывается статически.
Основным узлом рассматриваемых стендов является мультипликатор (устройство для увеличения нагрузки в гидродомкрате) (рис. 1). Данное устройство устанавливается между испытываемым образцом и грузом, падающим по направляющим, и состоит из двух цилиндров: малого (1), в котором перемещается поршень (2) под действием падающего груза (3), и большого (4). Большой цилиндр по сравнению с малым имеет во много раз большую площадь, но малое перемещение поршня (5). При равном давлении масла в цилиндрах получается значительный выигрыш в силе за счет разности площадей малого и большого цилиндров: так при использовании незначительного по массе груза (25-100 кг) усилие, передаваемое на образец, составляет 30-35 тонн. При этом масса стендов не велика (150-400 кг), что позволяет их устанавливать непосредственно на перекрытие.
3
Рис. 1. Мультипликатор 1 - малый цилиндр; 2 - поршень малого цилиндра; 3 - груз; 4 - большой цилиндр; 5 - поршень большого цилиндра; 6 - манометр; 7 - датчик силы; 8 - торцевая пластина (оголовок); 9 - образец
На рис. 2 представлен стенд для кратковременных и динамических испытаний бетонных образцов-призм на сжатие. Стенд состоит из несущих плит (1, 2), связанных между собой шпильками (3). На нижней несущей плите установлен сферический шарнир (4), на котором размещается бетонный образец (5). К верхней несущей плите закрепляется плоский гидродомкрат (6), а к его поршню, который одновременно является плавающим шарниром, монтируется датчик силы (7). Плоский гидродомкрат через распределитель (8) связан с малым цилиндром (9), внутри которого помещен поршень (10). В верхней части поршня закреплен сферический шарнир (11). Шпильки несущих плит связаны со шпильками, поддерживающими ограничительную плиту (12), которая служит упором при движении падающего груза (13). Для гашения ударной нагрузки на ограничительную плиту укладываются прокладки из пористой резины (14).
Через Блок к лебедке
15
Рис. 2. Стенд для динамических испытаний бетона на сжатие 1, 2 - несущие плиты; 3 - шпильки; 4 ни^жний сферический шарнир; 5 - бетонный образец; 6 - плоский гидродомкрат; 7 - датчик силы; 8 - распределитель; 9 - малый цилиндр; 10 - поршень; 11 - верхний сферический шарнир; 12 - ограничительная плита; 13 - груз; 14 - прокладка из пористой резины; 15 - стальной трос
Одноосное динамическое нагружение образца с использованием данной установки осуществляется по следующей методике. При помощи троса, перекинутого через блок, и лебедки производится поднятие груза на заданную высоту и фиксация его с помощью стопора. Через распределитель в малый и большой цилиндры подается масло. Малый поршень выходит из цилиндра. После запуска регистрирующей аппаратуры сбрасывается груз на поршень, который поднимает давление в цилиндрах и создает необходимую нагрузку для разрушения образца. После соприкосновения падающего груза с ограничительной плитой, дальнейшее повышение давления прекращается.
Следует отметить, что если зафиксировать поршень в нижнем положении, то установка может быть использована для проведения статических испытаний. Кроме того, небольшая статическая нагрузка (до 0,1ЯЬ или ОДЯьд) прикладывалась к образцу в направлении о1 перед динамическим воздействием для повышения жесткости удара.
Стенд для испытаний на растяжение принципиально не отличается от стенда на сжатие, кроме как использованием принципа реверсирования (изменения направления усилия) благодаря чему создаются растягивающие напряжения в испытываемом образце.
При проектировании установок заданной мощности варьируют площадь большого и малого цилиндров мультипликатора, а также высоту малого цилиндра. Управление скоростью роста давления, а следовательно временем удара и скоростями роста напряжений и деформаций в образце, производят за счет изменения высоты падения груза, его массы и соотношения площадей большого и малого цилиндров.
Преимуществами разработанных установок по сравнению с копрами и гидродинамическими установками с пульсатором, которые наиболее часто применяются при динамических испытаниях [1,2,3,4,5], является их небольшая масса и возможность осуществлять центрирование образцов по физической оси, которая обеспечивается благодаря применению подвижного сферического (4) и плавающего шарниров (6 - рис. 2).
Известно, что имеется два принципиально разных способа передачи нагрузки на испытываемый образец: гидростатический и механический (при помощи жестких плит) [б]. При гидростатическом способе передачи нагрузки материал образцов работает при о = сош1;, в сечениях ортогогональных к направлению приложения нагрузки, при этом не происходит перераспределения напряжений, что приводит к развитию ограниченного числа трещин в процессе нагружения и разрушения образца. При передаче нагрузки с помощью жестких опорных плит материал образца работает при а = сопб1, в сечениях ортогональных направлению действия нагрузки, при этом по мере нагружения происходит перераспределение напряжений на более прочные зоны, что способствует торможению ранее возникших трещин и образованию новых. В работе [б] отмечается, что для получения однородного напряженного состояния предпочтительно использовать гидростатический способ передачи нагрузки.
С учетом выше сказанного в наших исследованиях для создания напряжений о2 был выбран гидростатический способ передачи нагрузки. Применялась установка мембранного типа, с использованием которой в различное время были успешно проведены экспериментальные исследования бетона при сложных напряженных состояниях при кратковременном [7], длительном [8] и динамическом [9] нагружениях.
Эксперименты на динамическое воздействие в условиях двухосного сжатия и напряженного состояния «сжатие-растяжение» проводились в режиме сложного нагружения. На первом этапе прикладывалась статическая нагрузка в направлении действия и2 до некоторого уровня от призменной прочности бетона. На втором этапе предварительная статическая нагрузка оставалась постоянной, а образец доводился до разрушения в результате действия сжимающей или растягивающей динамической нагрузки, действующей в направлении и1.
На всех этапах фиксировалась нагрузка, относительные продольные и поперечные деформации. Регистрация нагрузок и деформаций производилась с использованием датчиков, усилителя, АЦП, ЭВМ и специального программного обеспечения.
Нагрузка фиксировалась при помощи высокочувствительного датчика силы, установленного между плоским домкратом и образцом. Датчик силы представляет собой либо стальной цилиндр (испытания на сжатие), либо кольцо (испытание на растяжение), работающие упруго в необходимом диапазоне нагрузок, на поверхность которых были наклеены проволочные тензорезисторы. Высокая чувствительность датчика определялась рациональным подбором его сечения и особенностями размещения тензодатчиков.
Для измерения деформаций при испытании на одноосное и двухосное сжатие использовались разработанные авторами датчики, которые представляли собой тензорезисторы с базой 20 мм, помещенные в водонепроницаемую гильзу из эпоксидно-песчаной смеси, модуль деформаций которой близок к модулю бетона. Конструкция и специальная технология изготовления датчиков обеспечивали совместность работы датчика, гильзы и бетона. Датчики устанавливались в опалубку на проволочных растяжках до бетонирования образцов в 3-х ортогональных направлениях. Использование внутренних датчиков вместо поверхностных позволило добиться их более надежной работы, исключая повреждение датчиков при действии мембранной установки.
Следует отметить, что попытка применить внутренние датчики при растяжении привела к существенному снижению прочности, поэтому в этом случае были использованы поверхностные продольные тензодатчики, наклеенные по свободным от мембранных установок граням.
Регистрация весьма малых изменений омического сопротивления в результате деформации датчиков при нагружении была возможна благодаря использованию усилителя. Применялся многоканальный усилитель, что позволяло синхронно фиксировать нагрузку и деформации по нескольким каналам.
Сигнал от усилителя по экранированному кабелю поступал на АЦП - плату, присоединенную к материнской плате системного блока ЭВМ.
Программное обеспечение «ЛВСЬаЬ», разработанное специалистами ЗАО «Руднев-Шиляев» (Москва), позволяло фиксировать получаемую информацию в виде графиков, отображаемых на экране, и таблиц, в которых оди
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.