способ определения критического коэффициента интенсивности напряжения в изделии

Формула изобретения

Способ определения критического коэффициента интенсивности напряжений в изделии, заключающийся в том, что в изделии прямоугольного сечения выполняют зону концентрации напряжений, которую нагружают до разрушения и по полученным данным определяют критический коэффициент интенсивности напряжений, отличающийся тем, что зону концентрации напряжения в изделии выполняют в виде углового сегмента в месте пересечения его перпендикулярных граней, образованную зону нагружают по поверхности углового сегмента до его отлома, после чего замеряют разрушающую нагрузку и параметры отломленного углового сегмента, а критический коэффициент интенсивности напряжения в изделии определяют по формуле

где K_Ic - критический коэффициент интенсивности напряжений, МПа·м^0,5 ;

В₀, B₁, В ₂, - коэффициенты, зависящие от типа бетона изделия;

- зависимость, определяемая разрушающей нагрузкой и параметрами отломленного углового сегмента изделия, МПа·м ^0,5;

- зависимость, определяемая параметрами отломленного углового сегмента;

М - разрушающая нагрузка, Н·м;

t - ширина сечения поверхности отлома углового сегмента, м;

b - длина сечения поверхности отлома углового сегмента, м;

h - высота боковой поверхности углового сегмента, м.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано в промышленных и лабораторных условиях для определения критического коэффициента интенсивности напряжений в изделиях из бетона и природного камня, например в железобетонных колоннах прямоугольного сечения, балках, стеновых панелях, плитах перекрытия, а также в фундаментах зданий и сооружений.

Известен способ определения прочности тяжелых и легких бетонов, заключающийся в скалывании ребра изделия путем прикладывания нагрузки к ребру изделия, фиксации величины нагрузки в момент скола ребра и последующее измерение фактической глубины скалывания (см. ГОСТ 22690-88 "Бетоны. Определение прочности механическими методами неразрушающего контроля" / Введен: 01.01.91; с.8).

Недостатком данного способа является низкая точность и достоверность определения критического коэффициента интенсивности напряжений исследуемого материала в результате того, что во время испытаний в зоне скола возникают касательные напряжения вдоль линии действия силы, которые искажают точность и достоверность определения критического коэффициента интенсивности напряжений.

Наиболее близким аналогом к заявленному объекту является способ определения критического коэффициента интенсивности напряжений, заключающийся в том, что в образце прямоугольного сечения выполняют зону концентраций напряжений, которую нагружают до разрушения, после чего по полученным данным определяют критический коэффициент интенсивности напряжений. При этом зону концентрации напряжений выполняют на противоположных гранях в плоскости, перпендикулярной продольной оси образца, а перед нагружением зоны образец закрепляют консольно (см. авт. св. СССР №1257448, G01N 3/00).

Недостатком известного способа является низкая точность и достоверность определения критического коэффициента интенсивности напряжений в исследуемом изделии в результате того, что при извлечении образца из изделия, особенно в промышленных условиях, по всему объему образца образуются микротрещины, которые снижают силы сцепления межатомных связей, что приводит к преждевременному разрушению образца, а следовательно, к искажению получаемых данных.

Техническая задача, решаемая заявленным способом, заключается в повышении точности и достоверности определения критического коэффициента интенсивности напряжения в изделии.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе определения критического коэффициента интенсивности напряжений в изделии, заключающемся в том, что в изделии прямоугольного сечения выполняют зону концентрации напряжений, которую нагружают до разрушения, и по полученным параметрам определяют критический коэффициент интенсивности напряжения, согласно изобретению зону концентрации напряжения в изделии выполняют в виде углового сегмента в месте пересечения его перпендикулярных граней, образованную зону нагружают по поверхности углового сегмента до его отлома, после чего замеряют разрушающую нагрузку и параметры отломленного углового сегмента, а критический коэффициент интенсивности напряжения в изделии определяют по формуле:

где К_Ic - критический коэффициент интенсивности напряжения, МПа·м^0,5 ;

В₀, B₁, B ₂ - коэффициенты, зависящие от типа бетона изделия;

- зависимость, определяемая разрушающей нагрузкой и параметрами отломленного углового сегмента изделия, МПа·м ^0,5;

- зависимость, определяемая параметрами отломленного углового сегмента;

М - разрушающая нагрузка, Н·м;

t - ширина сечения поверхности отлома углового сегмента, м;

b - длина сечения поверхности отлома углового сегмента, м;

h - высота боковой поверхности углового сегмента, м.

Отличительный признак, характеризующий действие выполнения зоны концентрации напряжений в виде углового сегмента в месте пересечения граней исследуемого изделия, в известных технических решениях не обнаружен. При этом выполнение вышеуказанной зоны в исследуемом изделии позволяет осуществлять последующее нагружение этой зоны до ее отлома непосредственно в самом изделии, а не в извлекаемом фрагменте изделия. Это позволяет сохранить целостность структуры материала изделия, а следовательно, повысить точность и достоверность полученных результатов.

Для определения призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона известен прием нагружения торцевой поверхности прямоугольного изделия путем создания на его поверхности однозначных сжимающих или растягивающих напряжений (см. ГОСТ 24452-80 "Бетоны. Методы определения призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона" / Введен: 01.01.1982, с.7).

В заявляемом способе нагружение изделия до отлома ведут по поверхности углового сегмента, образованного в зоне пересечения перпендикулярных граней изделия. Указанный отличительный признак в заявляемом способе проявляет новое техническое свойство, заключающееся в создании зоны разнозначных нормальных напряжений в исследуемом материале изделия, а именно сжатых и растягивающих напряжений в разрушающейся зоне сечения материала изделия при отсутствии касательных напряжений, что обеспечивает рост трещины отрыва без сдвига ее берегов от начала растянутой зоны. Это позволяет повысить точность и достоверность определения критического коэффициента интенсивности напряжения в изделии за счет создания в последнем чистого напряженного состояния, характеризующегося растяжением при отсутствии сдвига.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что для специалиста заявляемый способ определения критического коэффициента интенсивности напряжения в изделии при нормальном отрыве не следует явным образом из известного уровня техники, а, следовательно, соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

- на фиг.1 приведена схема определения критического коэффициента интенсивности напряжения в изделии;

- на фиг.2 - вид А на фиг.1;

- на фиг.3 - изображено в аксонометрии изделие с выполненной зоной концентрации напряжений в виде углового сегмента;

- на фиг.4 - изображен в аксонометрии угловой сегмент после отлома его от изделия.

Для осуществления заявляемого способа определения критического коэффициента интенсивности напряжений в изделии используют рычажный механизм, состоящий из металлического уголка 1 (фиг.1, 2), жестко соединенного с рычагом 2, на котором установлен индикатор часового типа 3, предназначенный для определения внешней разрушающей нагрузки.

Заявляемый способ осуществляют следующим образом.

В исследуемом изделии прямоугольного сечения 4 (фиг.1-3) в месте пересечения его перпендикулярных граней выполняют зону концентрации напряжений в виде углового сегмента 5 (фиг.1, 3, 4) посредством продольных 6 (фиг.1-3) и поперечных 7 (фиг.2, 3) пропилов. При этом пропилы 6 и 7 могут быть выполнены относительно граней изделия перпендикулярно или наклонно. Затем образованную зону концентрации напряжений в виде углового сегмента 5 нагружают до отлома от изделия 4. Для этого к поверхности углового сегмента 5 (фиг.1, 2) жестко крепят металлический уголок 1 рычажного механизма, охватывающий площадь углового сегмента 5, и к рычагу 2 (фиг.1) прикладывают разрушающую нагрузку в виде момента М, равного произведению сосредоточенной силы (N), приложенной к рычагу 2, на плечо (l) последнего. Указанную разрушающую нагрузку (М) прикладывают до отлома углового сегмента 5 от исследуемого изделия 4. При этом разрушающую нагрузку (М) отлома фиксируют при помощи индикатора 3 часового типа по его наибольшему показанию. Затем измеряют параметры отломленого углового сегмента 5 (фиг.4): длину сечения поверхности отлома (b), ширину сечения поверхности отлома (t) и высоту боковой поверхности углового сегмента (h). После этого, используя полученные данные, определяют значение критического коэффициента интенсивности напряжения в изделии по заявленной формуле:

где K_Ic - критический коэффициент интенсивности напряжений, МПа·м^0,5 ;

В₀, B₁, B ₂ - коэффициенты, зависящие от типа бетона изделия;

- зависимость, определяемая разрушающей нагрузкой и параметрами отломленного углового сегмента изделия, МПа·м ^0,5;

- зависимость, определяемая параметрами отломленного углового сегмента;

М - разрушающая нагрузка, Н·м;

t - ширина сечения поверхности отлома углового сегмента, м;

b - длина сечения поверхности отлома углового сегмента, м;

h - высота боковой поверхности углового сегмента, м.

Для обоснования преимуществ заявляемого способа определения критического коэффициента интенсивности напряжений в изделии по сравнению с известным способом, взятым за прототип, были проведены лабораторные испытания на фундаментном блоке из тяжелого бетона класса В20 с максимальным размером заполнителя 10 мм. По известному способу-прототипу для определения критического коэффициента интенсивности напряжения из указанного фундаментного блока путем выпиливания были извлечены три призмы размером 100×100×400 мм.

Для определения контрольного значения критического коэффициента интенсивности напряжения, одновременно с изготовлением вышеуказанного фундаментного блока, были изготовлены три контрольных образца бетона того же состава, размером 100×100×400 мм.

По заявляемому способу коэффициенты В₀, B ₁, В₂ получены эмпирическим путем и для тяжелого бетона соответственно равны В₀ =0,516, B₁=-0,02, В₂ =-0,647. Зону концентрации напряжения в фундаментном блоке выполняли в виде углового сегмента в месте пересечения его перпендикулярных граней, образованную зону нагружали по поверхности углового сегмента до его отлома. Разрушающую нагрузку М определяли произведением сосредоточенной силы (N), приложенной к рычагу, на плечо (l) данного рычага. После отлома углового сегмента осуществляли замеры его параметров (b, t и h). Критический коэффициент интенсивности напряжений в фундаментном блоке определяли по формуле:

где: b=0,05 м;

t=0,055 м;

h=0,045 м;

N - определялась по результатам испытаний и находилась в диапазоне 123,7÷124,7 H;

l=0,9 м.

Критический коэффициент интенсивности напряжения в контрольных образцах и в извлеченных образцах по прототипу определяли с помощью силового критерия механики разрушения в соответствии с ГОСТ 29167-91 «Бетоны. Методы определения характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении» / Введен: 01.07.92; с.4-6.

Усредненные результаты испытаний приведены в таблице.

Таблица
№ эксперимента	Критический коэффициент интенсивности напряжения, KIc, МПа·м 0,5,
	в контрольном образце	в образце по прототипу	в образце по заявляемому способу
1	0,280	0,221	0,279
2	0,280	0,248	0,281
3	0,283	0,238	0,282
Среднее	0,281	0,236	0,281

Результаты испытаний, приведенные в таблице, позволяют сделать вывод, что заявленный способ по сравнению с прототипом обеспечивает повышение точности определения критического коэффициента интенсивности напряжений в изделии в среднем на 19%. Величина разброса данных, полученных по заявляемому способу, составила (0,282-0,279)/0,281=0,01, по прототипу (0,248-0,221)/0,236=0,11>0,01, что подтверждает более высокую достоверность заявляемого способа. При этом заявляемый способ определения критического коэффициента интенсивности напряжения в изделии при простоте использования может найти широкое применение не только в лабораторных условиях, но и на промышленных объектах действующих производств для определения прогноза долговечности железобетонных конструкций.