10694

31

УДК 539.3

Д.А. Ламзин

Определение прочности на срез бетонов при динамическом нагружении

В последнее время часто стали возникать различного рода техногенные аварии, природные катастрофы и террористические акты, которые приводят к многочисленным жертвам и приносят значительный материальный ущерб. Эти катастрофы сопровождаются динамическими воздействиями ударного или взрывного характера на конструкции гражданских, промышленных зданий и инженерных сооружений. Для численного анализа конструктивных элементов на стадии проектирования, с целью предупреждения негативных последствий аварий, необходимо знание механических характеристик конструкционных материалов при динамическом воздействии. В связи с этим задача изучения процессов высокоскоростного деформирования различных конструкционных материалов приобретает актуальное значение.

Однако на данный момент существует много проблем в области высокоскоростной деформации материалов. Это связано как с отсутствием серийно выпускаемых установок для динамических испытаний, так и с малой методической базой для подобного рода экспериментов. Поэтому необходима разработка новых методик динамических испытаний, позволяющих получать различные механические характеристики материалов в широком диапазоне изменения приложенных нагрузок. В связи с этим в данной статье приводится описание новой модификации методики Кольского, предложенной в лаборатории динамических испытаний материалов НИИМ ННГУ, которая позволяет определять динамическую прочность на срез хрупких конструкционных материалов, таких как разнообразные бетоны.

Наиболее распространенной среди методик динамических испытаний является методика Кольского с использованием разрезного стержня Гопкинсона (РСГ) [1], которая позволяет определять динамические свойства широкого круга материалов в диапазоне скоростей деформации 102 104 с–1. Основными преимуществами данного метода являются простота реализации, корректное теоретическое обоснование волновых явлений, происходящих в системе упругих стержней с образцом между ними, точное определение значительных (десятки процентов) деформаций образца и исключение его изгиба при испытании на сжатие и растяжение. Кроме того, эта методика позволяет проследить историю изменения скорости деформации в течение всего процесса деформирования образца. К настоящему времени разработаны многочисленные модификации данного метода [2 – 10].

32

Срез в чистом виде представляет собой разделение элемента на две части по сечению, к которому приложены перерезывающие силы [11]. В предложенной модификации методики Кольского для определения динамической прочности на срез, образец из исследуемого материала располагается в жесткой обойме, разрезанной под углом α к горизонтали (рис. 1). Для того чтобы образец подвергался только срезу без сжатия, его длина должна быть меньше длины разрезной обоймы. Обойма с образцом размещается между мерными стержнями: нагружающим и опорным. После воздействия ударника на нагружающий стержень происходит смещение двух частей разрезной обоймы относительно плоскости среза, что вызывает деформирование и разрушение образца.

Рис. 1. Схема модифицированной методики Кольского: 1 – нагружающий стержень, 2 – опорный стержень, 3, 4 – части разрезной обоймы, 5 – образец

Усилие, действующее на обойму, можно определить по импульсу деформации, зарегистрированному в опорном стержне εТ(t):

где Е и А – соответственно модуль Юнга и площадь поперечного сечения опорного стержня.

Это усилие можно разложить на две составляющие: касательную, которая параллельна плоскости среза P (t) , и нормальную, которая

34

Таким образом, данная методика позволяет строить зависимость срезающего напряжения от времени или перемещения точек образца по импульсам деформации мерных стержней.

Зависимость напряжения при срезе от времени, полученная при испытании образца из мелкозернистого фибробетона в разрезанной под углом 45° обойме, показана на рис. 2. В результате анализа этого графика можно определить некоторые механические характеристики исследуемого материала. Максимум на графике соответствует моменту разрушения материала (точка С). Напряжение в этой точке соответствует пределу прочности на срез, а время в этой точке – времени до начала разрушения (времени «жизни»). Если выделить практически линейный участок диаграммы деформирования η ~ t (участок АВ) и произвести аппроксимацию экспериментальных точек линейной функцией, то можно

Угловой коэффициент аппроксимирующей прямой и является средней скоростью роста напряжений.

Рис. 2. Динамическая диаграмма η ~ t, полученная при испытании образца из мелкозернистого фибробетона

Таким образом, предложенная методика позволяет определять предел прочности на срез, время «жизни» образца и строить их зависимости от скорости роста напряжений.

Выводы.

Описана новая модификация методики Кольского, предложенная в лаборатории динамических испытаний материалов НИИМ ННГУ и позволяющая определять прочность на срез хрупких конструкционных материалов таких, как разнообразные бетоны. В результате анализа диаграммы деформирования, полученной при испытании образца из фибробетона, показано, что данная методика позволяет получать предел

35

прочности на срез, время «жизни» образца и строить их зависимости от скорости роста напряжений.

Литература

1.Kolsky, H. An investigation of the mechanical properties of material at very high rates of loading/ H. Kolsky// Proc. Phys. Soc. (London). –1949. – Vol. 62B. – Р.676-700.

2.Campbell J.D., Dowling A.R. The behaviour of materials subjected to dynamic incremental shear loading // J. Mech. Phys. Solids. – 1970. – Vol.18. – P. 43-63.

3.Nicholas, T. Tensile testing of materials at high rates of strain/ T. Nicholas// Exp. Mech. – 1981. – Vol.21, № 5. – P. 177-195.

4.Даффи, Дж. О применении крутильного разрезного стержня Гопкинсона к исследованию влияния скорости нагружения на поведение алюминиевого сплава 1100-0/ Дж.Даффи, Дж.Кэмпбелл, Р.Хоули // Прикладная механика. – Сер. Е. – М.: Мир, 1971. – № 1. – С. 81-90.

5.Льюис, Дж. Двухосный стержень Гопкинсона для одновременного кручения и сжатия/ Дж. Льюис, В. Гольдсмит // Приборы для научных исследований. – 1973. – № 7. – С. 22-26.

6.Клепачко, Я. Обсуждение нового экспериментального метода определения начала роста трещин при больших скоростях нагружения с помощью волн напряжения/ Я. Клепачко // Теоретические основы инженерных расчетов. – 1982. – Т. 104, № 1. – С. 33-40.

7.Музыченко, В.П. Применение метода составного стержня Гопкинсона при исследовании динамических свойств материалов (обзор)/ В.П. Музыченко, С.И. Кащенко, В.А. Гуськов// Зав. лабор. – 1986. – № 1. –

С. 58-66.

8.Брагов, А.М. Модификация метода Кольского для динамических циклических испытаний материалов/ А.М. Брагов, А.К. Ломунов, А.А. Медведев// Прикладные проблемы прочнности и пластичности. Методы решения: всесоюз. межвуз. сб. – Горьк. ун-т, 1987. – С. 90-94.

9.Новые возможности метода Кольского для исследования динамических свойств мягких грунтов/ А.М. Брагов, В.П. Гандурин, Г.М. Грушевский, А.К. Ломунов // Прикладная механика и техническая физика.

– 1995. – Т. 36, № 3. – С. 179-186.

10.Брагов, А.М. Модификация метода Кольского для определения динамического коэффициента трения/ А.М. Брагов, А.Ю. Константинов, А.К. Ломунов// Вестник ННГУ. – 2008. – № 6. – С. 125-131.

11.Байков, В.Н. Железобетонные конструкции: Общий курс: Учеб. для вузов/ В.Н. Байков, Э.Е.Сигалов. – М.: Стройиздат, 1991. – 5-е изд., перераб. и доп. – 767 с.: ил.

36

УДК 624.011.2

Д.М. Лобов

Использование композитных материалов

внесущих деревянных конструкциях

Впроцессе эксплуатации строительных конструкций в ряде случаев имеет место снижение их предела прочности или увеличение деформаций до недопустимых значений. Кроме того часто возникает необходимость повышения их несущей способности из-за изменения расчетной схемы или увеличения действующей нагрузки.

Известные способы усиления за счет увеличения сечения конструкции, путем присоединения к ним дополнительных элементов, использования затяжек и создания предварительного напряжения с применением шпренгельных систем, а также присоединения стальных пластин в зонах растягивающих напряжений характеризуются рядом существенных недостатков – большой вес конструкций усиления, трудоемкость устройства, невозможность в ряде случаев усиления сложных поверхностей.

Усиление строительных конструкций можно осуществлять с использованием композитных материалов – многослойных структур, образованных комбинацией армирующих элементов (углеродные, арамидные, полиэфирные и стеклянные волокна) и связующего (матрицы).

Безусловными преимуществами их являются высокая прочность и модуль упругости, малый вес, легкость повторения любых форм конструкции, стойкость к агрессивным воздействиям, технологичность, меньшая трудоемкость устройства на строительной площадке.

Использование прогрессивных композиционных материалов для усиления элементов конструкций оказалось конкурентоспособным решением проблемы их качества в смысле обеспечения надежности и долговечности сооружения. Для усиления строительных конструкций композитные материалы применяются в виде ламинатов (полос материала определенной длины, ширины и толщины) и холстов различного сплетения. Все материалы выпускаются на основе углеродных, арамидных

истекловолокнистых нитей (фибр).

Композиты для внешнего армирования дорогостоящи, но в ряде случаев они просто не имеют альтернативы по показателям прочности и сопротивления усталости. Например, углеволокно по этим характеристикам в два раза превосходит сталь. Усиление рядовых конструкций с применением технологии внешнего армирования должно быть обосновано экономически.

Композит, применяемый в качестве элемента внешнего армирования, наносится преимущественно на нижнюю кромку элемента, в зону растягивающих напряжений, или локально, в местах повреждений. Сцепление композита с поверхностью деревянных конструкций

37

осуществляется при помощи эпоксидного клея, при этом поверхность конструкции должна быть сухой, очищенной от смазки, масла и т.д. Покрываемая поверхность должна быть ровной, неровности не должны превышать 0,5 мм. Это может быть достигнуто путем обтесывания или шлифования поверхности. После очистки необходимо удалить всю пыль с помощью промышленного пылесоса.

Повышение эффективности применения элементов внешнего армирования осуществляется их предварительным натяжением. Натяжение производится гидродомкратами с использованием специальных захватов и анкерных устройств. При натяжении элементов внешнего армирования из углеродного волокна с его последующим закреплением на конструкции достигается не только повышением несущей способности, но также повышением жесткости усиливаемого элемента.

Механические и другие свойства композита определяются тремя основными параметрами: высокой прочностью армирующего волокна, жесткостью матрицы и прочностью связи на границе матрица–волокно. Механические характеристики применяемых в строительстве волокон композиционных материалов приведены в табл. 1.

Коэффициент линейного температурного расширения композитных материалов также зависит от типа волокна, смолы и объемного содержания фибры. Коэффициент линейного температурного расширения для армирующих материалов представлен в табл. 2.

Рис. 1. Диаграмма растяжение

Наибольшее распространение в строительстве на сегодняшний день получили стеклопластики, как наиболее дешевые композиционные материалы. Главный недостаток стеклянных волокон – сравнительно большая плотность и низкий модуль упругости.

Углеродные волокна были созданы для преодоления таких недостатков стеклянных волокон, как низкий модуль упругости и большая плотность. В качестве сырья для получения углеродных волокон обычно используют полимерные полиакрилонитрильные или вискозные волокна. Специальная многостадийная термическая обработка полимерных волокон при высоких температурах (2000° С) приводит к карбонизации и графитизации волокна, в результате чего конечное волокно состоит только из углерода и имеет различную структуру и свойства в зависимости от режима термообработки и структуры исходного сырья.

Среди всех армирующих волокон только арамидные волокна имеют плотность, меньшую плотности углеродных волокон. Но высокопрочные углеродные волокна прочнее арамидных, а высокомодульные углеродные волокна имеют модуль упругости, близкий к модулю упругости борных волокон. Поэтому именно углеродные волокна нашли применение в конструкциях, которые должны иметь ограниченный вес. Среди всех армированных пластмасс углепластики обладают наиболее высокой стойкостью к усталостным испытаниям и долговечностью. Углепластики плохо пропускают рентгеновские лучи. Они имеют очень низкий коэффициент линейного расширения. В то же время они хрупки и обладают низкой ударной прочностью. Поэтому во многих случаях предпочтительнее использовать их в гибридных композиционных материалах вместе со стеклянными, арамидными и другими волокнами.

39

Углеродные волокна и композиты из них имеют глубокий черный цвет и хорошо проводят электричество, что ограничивает области их применения. Углепластики могут разрушаться при ударе молнии, поэтому необходимо принимать соответствующие контрмеры.

Углеродные волокна непрерывно совершенствуются, повышается их прочность и жесткость, увеличивается ассортимент. Один из перспективных путей снижения цены таких волокон – использование нефтяных и других пеков (тяжелых полиароматических соединений) в качестве исходного сырья.

В настоящее время наибольшее распространение получили четыре основных вида углеродных волокон, имеющих необходимые показатели для широкого практического освоения в долгосрочной перспективе:

–на основе полиакрилонитрильного (ПАН) волокна;

–на основе вискозного волокна;

–на основе пекового волокна;

–волокно из газовой фазы.

Технология производства углеродных волокон из газовой фазы в настоящее время находится в стадии разработки, поэтому такие волокна на рынке отсутствуют. Однако, как показало исследование, углеволокно из газовой фазы имеет перспективы широкого применения, что объясняется его ожидаемой низкой ценой при сравнительно высоких характеристиках.

Основными факторами, тормозящими развитие производства углеродного волокна, являются:

–отсутствие нормативной документации;

–отсутствие информации об испытании материалов;

–высокая стоимость материалов.

При помощи композиционных материалов можно эффективно и технологично усиливать деревянные конструкции, поэтому использование данных материалов будет одним из важнейших направлений в строительстве вследствие нарастающего объема сооружений с изменяющимися функциями и необходимостью обеспечения новых функциональных требований при реконструкции зданий. Для этого необходимо решить целый ряд научных и инженерных задач связанных с совместной работой композиционных материалов и деревянных конструкций, т.к. представленные механические свойства композитов приведены как для отдельного материала.

Литература

1.Адамович, А.Г. Температурно-временная зависимость прочности микропластика из органических волокон/ А.Г. Адамович. – Л.: ЛДИТП,

1978. – 98 с.

2.Альперин, В. И. Конструкционные стеклопластики/ В.И.Альперин. – М.: Химия, 1979. – 360 с.