Определение прочностных характеристик материала Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

162

Проблематика транспортных систем

связанных с изменением генеральных планов предприятий, которые неизбежны при наличии расхождений в эпюрных размерах переводов.

УДК 624.029

А. Ю. Шулайкин

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛА

Рассмотрены общие положения определения предела прочности при сжатии и растяжении по ГОСТам. Предложены схемы, моделирующие линейное напряжённое состояние, которые дают наиболее точные значения предела прочности при осевом сжатии и растяжении.

разрушение, напряжённо-деформированное состояние (НДС), испытание, напряжение при разрушении.

Введение

В расчётах несущей способности строительных конструкций используются прочностные характеристики материала - предел прочности при сжатии и растяжении, методику определения которых регламентирует ГОСТ.

1 Предел прочности материала при сжатии

Разрушающая нагрузка при сжатии определяется путём испытания образцов-кубов. При этом в ГОСТе не оговариваются условия контакта образца с плитами пресса. Но, как известно, наличие сил трения на опорных поверхностях влияет на вид напряжённого состояния. Кроме того, в угловых точках куба в месте контакта образца с плитой пресса возникает концентрация напряжений. В результате испытуемый образец находится, как минимум, в условиях плоского напряжённого состояния, хотя прочность материла образца в общем случае по ГОСТам [1], [2], [3] вычисляется как для линейного НДС по классической формуле:

s

(сж) пч

(1)

где F - разрушающая нагрузка;

А - площадь рабочего сечения образца.

2006/3

Proceedings of Petersburg Transport University

Проблематика транспортных систем

163

Построение точных аналитических выражений, описывающих вид и характер распределения напряжений в кубе при сжатии, даже в случае плоского напряженного состояния затруднено сложными математическими выкладками. Следовательно, необходимо подобрать такую схему испытания, которая позволила бы исключить влияние сил трения и концентрации напряжений на прочность образца; выявить модель, при испытании которой в наиболее опасной зоне реализуется чисто линейное НДС или близкое к нему.

В итоге испытаниям были подвергнуты образцы-кубы на осевое сжатие, размером поперечного сечения 5x5 см. В ходе эксперимента изменялись лишь условия контакта граней образца с поверхностью плиты пресса (рис. 1):

а) плита пресса - поверхность образца (присутствие касательных напряжений);

б) плита пресса - прокладка - поверхность образца (уменьшение влияния касательных напряжений на прочность образца);

в) полная склейка металлической пластины с гипсовым образцом (исключение проскальзывания контактирующей поверхности образца по плите пресса, вследствие чего касательные напряжения максимальны).

а)

б)

в)

Рис. 1. Схемы испытания кубов на осевое сжатие

Для исследования были выбраны два материала:

лёгкий ячеистый бетон (газобетон) заводского изготовления, плотностью 560 кг/м ;

гипс марки Г-6, В/Г = 0,55.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2006/3

164

Проблематика транспортных систем

Все гипсовые образцы были изготовлены одной партией и испытаны на 4-е сутки после затворения. В каждой схеме было испытано по четыре образца.

Проведённый эксперимент дал результаты, представленные в таблице 1 (предел прочности при сжатии определялся по формуле (1)).

ТАБЛИЦА 1. Результаты испытания образцов-кубов на осевое сжатие

Материал образца Предел прочности при сжатии, МПа

при наличии сил трения на опорах при уменьшении сил трения на опорах при полной склейке опорных граней

Газобетон 3,774 3,174 3,805

Гипс 6,642 5,409 6,715

Из таблицы 1 видно, что значения разрушающих напряжений больше при испытании кубов без прокладок по сравнению с кубами, имеющими прокладки. Трение на опорных гранях увеличивает значение разрушающей нагрузки, а следовательно, завышает величину предела прочности при сжатии.

Сравнивая характер растрескивания образцов, можно отметить следующие виды разрушения.

1. Трещина возникает в угловой точке образца и распространяется по всей поверхности под углом » 45°. Такой вид разрушения присущ кубам, независимо от материала, при наличии сил трения на опорных поверхностях (рис. 2).

Рис. 2. Характер разрушения при наличии сил трения

2. Разрушение сопровождается появлением вертикальных трещин, которые проходят через весь образец и пересекают опорные грани. Подобный тип разрушения характерен для кубов с прокладками (рис. 3).

2006/3

Proceedings of Petersburg Transport University

Проблематика транспортных систем 165

Рис. 3. Характер разрушения кубов при уменьшении влияния сил трения Судя по характеру разрушения традиционных моделей, напряжённое состояние, близкое к линейному, по-видимому, удаётся получить только у кубов, испытание которых проводится с прокладками или другими средствами, способными уменьшить влияние касательных напряжений на прочность изделий.

Для оценки реализации линейного НДС при испытании образцов-кубов с уменьшением сил трения на опорных гранях нами предлагается испытание образцов-“восьмёрок” на осевое сжатие (рис. 4).

Рис. 4. Модель образца-“восьмёрки” для испытания на осевое сжатие

Такая модель позволит достоверно получить линейное НДС в средней, наиболее опасной зоне. В результате будет получено наиболее точное значение предела прочности при осевом сжатии.

2 Предел прочности материала при растяжении

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2006/3

166

Проблематика транспортных систем

Предел прочности при растяжении по ГОСТам [1], [2], [3] определяется путём испытания призм квадратного сечения на изгиб и вычисляется в общем случае по формуле:

s

( р ) =

пч

М

изг

изг

(2)

где Мизг - изгибающий момент;

Wror - момент сопротивления сечения.

Максимальные растягивающие напряжения при изгибе действуют в крайних нижних волокнах на сравнительно малой площадке по отношению к высоте образца. На остальной половине высоты призмы растягивающие напряжения менее интенсивны. Это обстоятельство ведёт к завышению прочности материала на разрыв.

Для сравнения предел прочности при растяжении определялся исходя из испытаний четырёх образцов по двум различным схемам:

растяжение в условиях плоского поперечного изгиба призм размером 4x4x16 см (рис. 5), по формуле (2);

осевое растяжение образцов-“восьмёрок” (фото 5), по формуле:

s

( р ) =

пч

А

(3)

Рис. 5. Плоский поперечный изгиб призм

Рис. 6. Осевое растяжение образцов-“восьмёрок”

2006/3

Proceedings of Petersburg Transport University

Проблематика транспортных систем

167

Проведённый эксперимент дал результаты, представленные в таблице 2.

ТАБЛИЦА 2. Определения предела прочности на растяжение

Материал образца Предел прочности при растяжении, МПа

Плоский поперечный изгиб Осевое растяжение

Газобетон 0,763 0,712

Гипс 2,953 2,676

Из таблицы 2 видно, что наименьшее напряжение при разрушении наблюдается у образцов-“восьмёрок” в условиях осевого растяжения как для гипса, так и для газобетона.

Данная схема испытания наиболее точно моделирует линейное напряжённое состояние. Поэтому за значение предела прочности материала при растяжении следует брать величину напряжения при разрушении об-разцов-“восьмёрок”

Заключение

Для предотвращения завышения прочности конструкции при проведении расчёта необходимо использовать достоверные величины пределов прочности материала при сжатии и растяжении. Такие значения можно получить только при реализации линейного НДС, а на основании эксперимента можно заключить, что эти величины будут минимальными.

Методика определения прочностных характеристик материала, регламентируемая ГОСТом, не обеспечивает линейного НДС при испытании образцов. Это ведёт к неоправданному преувеличению прочности материала, а следовательно, к завышению несущей способности конструкции.

Моделью, при испытании которой на данном этапе было получено минимальное напряжение при разрушении сжатием, оказался куб с уменьшением сил трения на опорных гранях, а растяжением - образец-восьмёрка” в условиях осевой деформации. Для оценки НДС при сжатии кубов с прокладками в ближайшее время в Механической лаборатории ПГУПС будут проведены испытания образцов-“восьмёрок”.

Библиографический список

1. ГОСТ 10180-90 Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам.

2. ГОСТ 310.4-81 Цементы. Методы определения предела прочности при изгибе и сжатии.

3. ГОСТ 23789-79 Вяжущие гипсовые. Методы испытаний.

АВТОРСКИЙ указатель

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2006/3