Определение прочности

Прочность

Прочность деревянного кузова DKW F8, 1939. На едущем автомобиле стоят не менее 28 человек

Про́чность (в физике и материаловедении) — свойство материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, возникающих под воздействием внешних сил.

Свойство конструкции выполнять назначение, не разрушаясь в течение заданного времени.

Классификация

Прочность подразделяют на статическую, под действием постоянных нагрузок, динамическую и усталостную (выносливость), имеющую место при действии циклических переменных нагрузок.

Для конструкций различают общую прочность — способность всей конструкции выдерживать нагрузки без разрушения, и местную — та же способность отдельных узлов, деталей, соединений.

Количественное рассмотрение

В настоящее время при расчёте на прочность используют как расчёт по допускаемым напряжениям, так и расчёт по допускаемому числу циклов нагружения. Основные неравенства расчёта по допускаемым напряжениям:

σ m a x ⩽ [ σ ] , τ m a x ⩽ [ τ ] , {\displaystyle \sigma _{max}\leqslant [\sigma ],\quad \tau _{max}\leqslant [\tau ],}

где

σ m a x {\displaystyle \sigma _{max}} и τ m a x {\displaystyle \tau _{max}} — наибольшие расчётные нормальное и касательное напряжения, соответственно;
[ σ ] {\displaystyle [\sigma ]} и [ τ ] {\displaystyle [\tau ]} — допускаемые нормальное и касательное напряжения, безопасные для прочности детали.

Прикладное применение

Обеспечение прочности машин, аппаратов и конструкций осуществляется следующим образом. На стадии их проектирования производится расчётная или экспериментальная оценка возможности развития в несущих элементах проектируемых конструкций процессов разрушений различных типов: усталостного, хрупкого, квазистатического, разрушения вследствие ползучести материала, коррозии, износа в процессе эксплуатации и т. п. При этом должны быть рассмотрены все возможные в условиях эксплуатации конструкции, известные на данный момент механизмы разрушения материала, из которого выполнены её несущие элементы. Для вновь создаваемого класса машин или аппаратов указанные механизмы разрушения выявляются на стадии научно-исследовательского цикла проектирования. С каждым из таких механизмов разрушения связывается определённый критерий прочности — та или иная характеристика физического состояния материала элементов машин и аппаратов, определяемая расчётным или экспериментальным путём. Для каждого из критериев прочности материала конструкции экспериментально устанавливаются его предельные значения. По предельным значениям далее определяются допускаемые значения этих критериев. Последние определяются, как правило, путём деления предельных значений критерия прочности на соответствующий коэффициент запаса прочности. Значения коэффициентов запаса прочности назначаются на основе опыта эксплуатации с учётом степени ответственности проектируемой конструкции, расчётного срока её эксплуатации и возможных последствий её разрушения.

Значения коэффициентов запаса прочности для различных механизмов разрушения различны. При расчёте по допускаемым напряжениям они изменяются, как правило, в диапазоне значений от 1,05 (при обеспечении прочности элементов летательных аппаратов, имеющих краткий жизненный цикл и не предназначенных для транспортировки людей) до 6 (при обеспечении прочности тросов, используемых в конструкциях пассажирских лифтов). При расчёте по допускаемому числу циклов нагружения могут использоваться существенно большие значения этих коэффициентов. Расчёт наиболее ответственных и энергонасыщенных конструкций машин и аппаратов регламентируется отраслевыми нормами и стандартами. По мере накопления опыта эксплуатации, развития методов исследования физического состояния конструкций и совершенствования методов обеспечения прочности эти нормы и стандарты периодически пересматриваются.

Разрушения

Хрупкое и вязкое разрушение имеют разные виды разрушенной поверхности. Характер дефектов дает понятие, какого рода разрушение имеет место. При хрупком разрушении поверхность надломлена. При вязком разрушении поверхность натянута (вяжет разрушение).

Вязкость разрушения — это относительное повышение растягивающих напряжений в устье трещины при переходе её от стабильной к нестабильной стадии роста.[1]

Вязкость разрушения тесно связана с показателями прочности материала. Увеличение прочности сопровождается снижением пластичности и вязкости разрушения. Это объясняется тем, что у высокопрочных материалов мала энергия, поглощаемая при разрушении, уровень которой определяется величиной пластической деформации у вершины трещины. Для высокопрочных материалов эффект увеличения прочности существенно перекрывается снижением пластичности, в результате чего вязкость разрушения уменьшается. Материалы средней и низкой прочности при комнатной температуре обычно имеют более высокие значения, чем высокопрочные. С понижением температуры прочность растет и при определённых условиях поведение материала средней и низкой прочности становится таким же, как у высокопрочного материала при комнатной температуре. При низких температурах испытание вязкости разрушения можно проводить на образцах меньших размеров.

Современные методы расчета

Для расчёта напряженно-деформируемого состояния конструкции и определения её прочности применяются современные наукоемкие технологии — системы компьютерного инженерного анализа, основанные на применении сеточных методов решения задач математической физики. В настоящее время одним из наиболее эффективных и универсальных методов этого класса является метод конечных элементов (МКЭ).

Наиболее распространённые системы КЭ анализа:

ANSYS — универсальная система КЭ анализа с встроенным пре-/постпроцессором;

MSC.Nastran — универсальная система КЭ анализа с пре-/постпроцессором;

ABAQUS — универсальная система КЭ анализа с встроенным пре-/постпроцессором;

NEiNastran — универсальная система КЭ анализа с пре-/постпроцессором FEMAP;

NX Nastran — универсальная система КЭ анализа с пре-/постпроцессором FEMAP.

ru.wikipedia.org

Прочность это:

Прочность твёрдых тел, в широком смысле — свойство твёрдых тел сопротивляться разрушению (разделению на части), а также необратимому изменению формы (пластической деформации) под действием внешних нагрузок. В узком смысле — сопротивление разрушению. В зависимости от материала, вида напряжённого состояния (растяжение, сжатие, изгиб и др.) и условий эксплуатации (температура, время действия нагрузки и др.) в технике приняты различные меры П. (предел текучести, временное сопротивление, предел усталости и др.). Разрушение твёрдого тела — сложный процесс, зависящий от перечисленных и многих др. факторов, поэтому технические меры П. — условные величины и не могут считаться исчерпывающими характеристиками. Физическая природа прочности. П. твёрдых тел обусловлена в конечном счёте силами взаимодействия между атомами и ионами, составляющими тело. Эти силы зависят главным образом от взаимного расположения атомов. Например, сила взаимодействия двух соседних атомов (если пренебречь влиянием окружающих атомов) зависит лишь от расстояний между ними (рис. 1). При равновесном расстоянии r_o Прочность 10 нм эта сила равна нулю. При меньших расстояниях сила положительна и атомы отталкиваются, при больших — притягиваются. На критическом расстоянии r_k сила притяжения по абсолютной величине максимальна и равна F_т. Например, если при растяжении цилиндрического стержня с поперечным сечением S_o действующая сила Р, направленная вдоль его оси, такова, что приходящаяся на данную пару атомов внешняя сила превосходит максимальную силу притяжения F_т, то последние беспрепятственно удаляются друг от друга. Однако, чтобы тело разрушилось вдоль некоторой поверхности, необходимо, чтобы все пары атомов, расположенные по обе стороны от рассматриваемой поверхности, испытывали силу, превосходящую F_т. Напряжение, отвечающее силе F_т, называется теоретической прочностью на разрыв σ_τ (σ_τ ≈ 0,1 Е, где Е — модуль Юнга). Но на опыте наблюдается разрушение при нагрузке Р*, которой соответствует напряжение σ = P*/S, в 100—1000 раз меньшее σ_τ. Расхождение теоретической П. с действительной объясняется неоднородностями структуры тела (границы зёрен в поликристаллическом материале, посторонние включения и др.), из-за которых нагрузка Р распределяется неравномерно по сечению тела. Механизм разрушения. Зарождению микротрещин при напряжении ниже σ_τ способствуют термической Флуктуации. Если на участке поверхности S малых размеров (но значительно превышающем сечение одного атома) локальное напряжение окажется больше σ_τ, вдоль этой площадки произойдёт разрыв. Края разрыва разойдутся на расстояние, большее r_k, на котором межатомные силы уже малы, и образуется трещина (рис. 2). Локальные напряжения особенно велики у края образовавшейся трещины, где происходит Концентрация напряжений, причём они тем больше, чем больше её размер. Если этот размер больше некоторого критического r_c, на атомы у края трещины действует напряжение, превосходящее σ_т, и трещина растет дальше по всему сечению тела с большой скоростью — наступает разрушение. r_c определяется из условия, что освободившаяся при росте трещины упругая энергия материала покрывает затраты энергии на образование новой поверхности трещины: r_c ≈ Еγ / σ2 (где γ — энергия единицы поверхности материала). Прежде чем возрастающее внешнее усилие достигнет необходимой для разрушения величины, отдельные группы атомов, особенно входящие в состав дефектов в кристаллах, обычно испытывают перестройки, при которых локальные напряжения уменьшаются («релаксируют»). В результате происходит необратимое изменение формы тела — пластическая деформация; ей также способствуют термической флуктуации. Разрушению всегда предшествует большая или меньшая пластическая деформация. Поэтому при оценке r_c в энергию γ должна быть включена работа пластической деформации γР, которая обычно на несколько порядков больше истинной поверхностной энергии γ. Если пластическая деформация велика не только вблизи поверхности разрушения, но и в объёме тела, то разрушение вязкое. Разрушение без заметных следов пластической деформации называется хрупким. Характер разрушения проявляется в структуре поверхности излома, изучаемой фрактографией (См. Фрактография). В кристаллических телах хрупкому разрушению отвечает скол по кристаллографическим плоскостям спайности, вязкому — слияние микропустот (на фрактограммах выявляются в виде чашечек) и скольжение. При низкой температуре разрушение преимущественно хрупкое, при высокой — вязкое. температура перехода от вязкого к хрупкому разрушению называется критической температурой хладноломкости. Поскольку разрушение есть процесс зарождения и роста трещин, оно характеризуется скоростью или временем τ от момента приложения нагрузки до момента разрыва, т. е. долговечностью материала. Исследования многих кристаллических и аморфных тел показали, что в широком интервале температур Т (по абсолютной шкале) и напряжений σ, приложенных к образцу, долговечность τ при растяжении определяется соотношением

— приблизительно равно периоду тепловых колебаний атомов в твёрдом теле (10-12 сек), энергия U₀ близка к энергии сублимации (См. Сублимация) материала, активационный объём V составляет обычно несколько тысяч атомных объёмов и зависит от структуры материала, сформировавшейся в процессе предварительной термической и механической обработки и во время нагружения, k = 1,38 ․10-16 эрг/град — постоянная Больцмана. При низких температурах долговечность очень резко падает с ростом напряжения, так что при любых важных для практики значениях τ существует почти постоянное предельное значение напряжения σ₀, выше которого образец разрушается практически мгновенно, а ниже — живёт неограниченно долго. Это значение σ₀ можно считать пределом прочности (см. табл.). Некоторые значения прочности на растяжение, σ₀ в кгс/мм2 (1 кгс/мм2= 10 Мн/м2) ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- | Материалы | σ₀ | σ₀/Е | |---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | Графит (нитевидный кристалл) | 2400 | 0,024 | | Сапфир (нитевидный кристалл) | 1500 | 0,028 | | Железо (нитевидный кристалл) | 1300 | 0,044 | | Тянутая проволока из высокоуглеродистой стали | 420 | 0,02 | | Тянутая проволока из вольфрама | 380 | 0,009 | | Стекловолокно | 360 | 0,035 | | Мягкая сталь | 60 | 0,003 | | Нейлон | 50 | | ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Время τ затрачивается на ожидание термофлуктуационного зарождения микротрещин и на их рост до критического размера r_c. Когда к образцу прикладывают напряжение σ, он деформируется сначала упруго, затем пластически, причём около структурных неоднородностей, имевшихся в исходном состоянии или возникших при пластической деформации, возникают большие локальные напряжения (в кристаллах в голове заторможенных сдвигов — скоплений дислокаций (См. Дислокации)). В этих местах зарождаются микротрещины. Их концентрация может быть очень большой (например, в некоторых ориентированных полимерах до 1015 трещин в 1 см3). Однако при этом их размеры, определяемые масштабом структурных неоднородностей, значительно меньше r_c. Трещины не растут, и тело не разрушается, пока случайно, например благодаря последовательному слиянию близко расположенных соседних микротрещин, одна из них не дорастет до критического размера. Поэтому при создании прочных материалов следует заботиться не столько о том, чтобы трещины не зарождались, сколько о том, чтобы они не росли. Случайное распределение структурных неоднородностей по объёму образца, по размерам и по степени прочности и случайный характер термических флуктуаций приводят к разбросу значений долговечности (а также предела П. σ₀) при испытаниях одинаковых образцов при заданных значениях σ и Т. Вероятность встретить в образце «слабое» место тем больше, чем больше его объём. Поэтому П. (разрушающее напряжение) малых образцов (например, тонких нитей) выше, чем больших из того же материала (т. н. масштабный эффект). Участки с повышенным напряжением, где легче зарождаются микротрещины, встречаются чаще у поверхности (выступы, царапины). Поэтому полировка поверхности и защитные покрытия повышают П. Напротив, в агрессивных средах П. понижена. Меры повышения прочности. При создании высокопрочных материалов стремятся в первую очередь повысить сопротивление пластической деформации. В кристаллических телах это достигается либо за счёт снижения плотности дефектов (П. нитевидных кристаллов, лишённых подвижных дислокаций, достигает теоретической), либо за счёт предельно большой плотности дислокаций в мелкодисперсном материале. Второе требование — большое сопротивление разрушению — сводится к выбору материала с высокой теоретической П. σ_т = 0,1 Е. Создать материалы с модулем Юнга Е, превышающим максимальные встречающиеся в природе значения, можно искусственно, путем применения высоких давлений; однако в этом направлении делаются лишь первые шаги. Большие значения σ_т затрудняют зарождение микротрещин. Чтобы предотвратить их рост, материал должен быть достаточно пластичным. Тогда у вершины трещины необходимые для её роста высокие напряжения рассасываются за счёт пластической деформации. Сочетание высокой П. и пластичности достигается в сплавах термомеханической обработкой, в композитах — подбором материала волокон и матрицы, объёмной доли и размера волокон. Трещина, возникшая в прочной (обычно хрупкой) фазе сплава или в волокне композита, останавливается у границы с пластичной матрицей. Поэтому важной характеристикой высокопрочных материалов является сопротивление распространению трещины, или вязкость разрушения. При механическом измельчении материалов требуется пониженная П. Она достигается воздействием поверхностно-активных сред (органические вещества, вода). Лит.: Разрушение, пер. с англ., под ред. А. Ю. Ишлинского, т. 1, М., 1973; Работнов Ю. Н., Сопротивление материалов, М., 1962; Гуль В. Е., Структура и прочность полимеров, 2 изд., М., 1971; Механические свойства новых материалов, пер. с англ., под ред. Г. И. Баренблатта, М., 1966; Инденбом В. Л., Орлов А. Н., Проблема разрушения в физике прочности, «Проблемы прочности», 1970, № 12, с. 3; Регель В. Р., Слуцкер А. И., Томашевский Э. Е., Кинетическая природа прочности твердых тел, М., 1974. А. Н. Орлов.

Рис. 1. Зависимость силы взаимодействия двух атомов от расстояния между ними.

Рис. 2. Трещина Гриффита. Стрелки указывают направление растяжения; заштрихована область, в которой сняты напряжения.

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия. 1969—1978.

dic.academic.ru

4,4. Определение прочности материалов конструкций неразрушающими методами

Неразрушающие методы являются наиболее приемлемыми для определения прочностных, деформативных и других физико-механических характеристик строительных материалов в условиях, когда эти свойства устанавливаются для конструкций возведенных и эксплуатирующихся зданий и сооружений. Места отбора образцов (проб) для лабораторных испытаний и места для проведения испытаний неразрушающими методами следует устанавливать на характерных участках конструкций с учетом действующих нагрузок и воздействий, напряженно-деформированного состояния обследуемых элементов, конструктивных решений. Эти места могут быть определены также по группам однотипных конструктивных элементов с целью получения совокупности данных для статистической обработки.

Следует обратить внимание на обеспечение несущей способности и пригодности к эксплуатации конструкций, ослабленных отбором образцов (проб).

Неразрушающие методы применяют для установления прочности бетона на сжатие (имеется в виду кубиковая прочность бетона R), которая определяется как функцияR=f(x_i) какой-нибудь механической или физической характеристики бетона, полученной опытным путем. Различают механические методы, когда по результатам измерения приборами механических характеристик бетонах_iпо таблицам и графикам определяют значениеR, и физические методы, пользуясь которыми кубиковая прочность находится как функция физических характеристик, полученных также опытным путем.

Градуировочные таблицы и графики для конкретных конструкций уточняются по результатам испытаний бетонных образцов (кубов со стороной 7,07 см), вырезанных из тела конструкций (не менее трех образцов), или испытаний методом отрыва со скалыванием по ГОСТ 21293—75, описанным ниже.

В процессе обследований при установлении данных о прочности бетона в одной конструкции или среди разных конструкций рекомендуется выделить участки с общими прочностными характеристиками бетона исходя из того, что коэффициент вариации прочности бетона для каждой совокупности должен бытьVR≥0,135, а прочность бетона находиться в пределахR=(0,7...1,3)R, гдеR— среднее значение прочности. Отдельные места конструкций или отдельные конструкции, имеющие значительные дефекты, в указанную выборку не включаются.

Основные методы испытания, используемые для определения прочности бетона непосредственно в конструкциях эксплуатирующихся зданий и сооружений, приведены в табл. 3.1.

Из механических методов одним из наиболее распространенных является метод пластической деформации, основанный на взаимосвязи между Rи размерами отпечатков на бетонной поверхности, которые получают путем вдавливания штампа при статической или динамической нагрузке. Отпечаток на бетонной поверхности (его геометрические размеры) характеризует пластическую (или упругопластическую) деформацию бетона при статической нагрузке под действием прессов, при динамической — под действием удара.

Метод испытания на отрыв со скалываниемоснован на определенииRпо усилиюР, требуемому для отрыва и скалывания куска бетона из тела конструкции, для чего в бетоне в высверленные отверстия устанавливают с зачеканкой цементным раствором анкерные устройства, которые затем вырывают специальными приборами. Возможно установитьRпо прочности бетона на отрыв, когда с помощью аналогичных приборов производят отрыв стального диска, приклеенного к поверхности бетонного элемента эпоксидным клеем. Прочность бетона можно определить и на основании измерения усилия скалывания части бетона в ребре конструкции. Кроме того, для испытания прочности ячеистых бетонов используют метод, заключающийся в выдергивании винтовых стержней, предварительно вкрученных в тело бетона.

Методом, основанным на измерении отскока подпружиненных молотков (склерометров) от бетонной поверхности,характеризуют прочность бетона по величине отскока при ударе о бетон.

Из физических методов определения прочности бетона в конструкции получили распространение импульсные и радиоизотопные.

Из импульсных методов широко применяют ультразвуковые, основанные на измерении времени распространенияультразвука в бетоне и базы прозвучивания, по которым рассчитывают скорость ультразвуковой волны и как ее функцию определяют прочность бетонаR.

Метод волны удара основан на измерении скорости распространения в бетоне продольных волн ν_уд, вызванных механическим ударом ручным или электрическим молотком. Далее по зависимостиR— ν_удустанавливают прочность бетона.

Радиоизотопный метод позволяет определить плотность бетона р_νи по заранее установленным зависимостямR— р_νвыявить прочность ячеистых бетонов. Он основан на использовании γ-лучей, источником которых являются радиоактивные изотопы.

Часто при обследовании бетонных и железобетонных конструкций определение прочности бетона неразрушающими методами приходится производить при отсутствии зависимости «косвенная характеристика—прочность» для обследуемого бетона конкретной конструкции. Для уменьшения ошибки при определении Rрекомендуется проводить комплексные испытания бетона, включающие определение прочности бетона разрушающими методами в образцах, полученныхиз тела обследуемой конструкции путем выпиливания образцов правильной формы (кубов цилиндров) по ГОСТ 10180—78 и кернов или образцов неправильной формы, методами штампа пли раскалывания и параллельно установление прочности бетона несколькими неразрушающими методами.

По полученным результатам находят наиболее достоверное значение величины R. При этом желательно сочетать как механические, так и физические методы определения прочности бетона.

Для установления деформативных характеристик бетона в эксплуатируемой конструкции может быть использован методиспытания бетона путем скалывания:Специальное устройство, принцип работы которого близок к работе прибора ГПНС-4, позволяет получить значение абсолютной деформации бетона при ступенчатой нагрузке, приложенной к вырываемому из бетона анкеру. По этим данным строят зависимости «деформация — напряжение» или «деформация — относительное напряжение» и вычисляют модуль деформации бетона.

Общие рекомендации по выбору методов испытаний в зависимости от области применения приведены в табл. 4.4, а по выбору типа прибора в зависимости от прочности бетона в табл. 4.5.

Следует отметить, что из всех рассмотренных физико-механических способов определения прочности бетона в конструкциях наиболее достоверные данные получают при испытаниях на отрыв и скалывание. Поэтому этот метод желательно применять параллельно с другими для контроля и уточнения результатов испытаний.

Таблица 4.4. Рекомендации по выбору методов испытаний

Методы	Приборы и способы выполнения	Область применения
Методы испытания прочности в образцах, бетон которых уплотнен совместно е конструкцией	Бурение с последующим испытанием кернов. Распиловка изделий на кубы	Для выборочного контроля прочности в изделиях, технология изготовления которых значительно отличается от технологии приготовления кубов, с целью установления переводных коэффициентов от R_c_жизделия кR_c_жв кубах. Для проведения предварительных испытаний с целью получения тарировочных зависимостей, используемых для контроля прочности бетона (неизвестных составов) другими методами
Метод пластической деформации растворной составляющей	Приборы ДПГ-4, ДПГ-5, ПМ, ХПС, эталонный молоток Н. П. Кашкарова и др.	Для испытания прочности бетона в изделиях и конструкциях толщиной 40...60 см. Приборы ДПГ-4 и ДПГ-5 более удобны при испытаниях на горизонтальных плоскостях, но для испытания нижних горизонтальных плоскостей непригодны
Метод пластической деформации бетона	Приборы типа «Штамп НИИЖБ»	Сфера применения та же. Толщина изделий (в зависимости от типа прибора) до 30 см. Прибор менее удобен в работе, но обеспечивает большую точность испытаний
Методы, основанные на отделении бетона от бетона	Отрыв со скалыванием, приборы ГПНВ-5, ГПНС-4	Для определения прочности бетона в конструкциях толщиной не менее 15 см. Метод позволяет учитывать влияние прочности крупного заполнителя и степени его сцепления с раствором на R_сжбетона. Метод пригоден для испытания бетона высоких марок
	Отрыв, прибор ГПНВ-5	Сфера применения та же, что и для отрыва со скалыванием, а также для испытания тонкостенных конструкций
	Скалывание ребра конструкций, приборы УРС и ГПНВ-5	Для испытания конструкций толщиной не менее 4 см с шириной испытываемого ребра и его длиной соответственно не менее 18 и 20 см
Метод упругого отскока	Прибор КМ, склерометры Шмидта	Для испытания прочности бетона в изделиях и конструкциях толщиной не менее 100 мм. Для определения изменения прочности бетона во времени
	Прибор Царицына—Корниловича—Осадчука	То же, но только для вертикальных поверхностей
Резонансный метод	ИЧМК-2, ИЧЗ-5, ИЧЗ-6 Вибростенд	Для лабораторных исследований и испытаний образцов бетона Для испытания сборных изделий и конструкций типа прямолинейного бруса (в опытном порядке)
Импульсный ультразвуковой метод	Ультразвуковые приборы УКБ-1, УКБ-1М, «Бетон-8», УРЦ, УК-16П, УК-ЮП, УФ-90ПЦ	Для контроля прочности и однородности бетона в конструкциях при известных заполнителях
Радиоизотопный метод	8УРЦ, РПП-1, РПП-2, ИПР-Ц	Для испытания ячеистых бетонов и бетонов на пористых заполнителях

Прочностные характеристики кирпича всех видов, бетонных и природных камней, а также кладки из них устанавливают с помощью испытания образцов, отобранных непосредственно из кладки на стандартном лабораторном оборудовании в соответствии с ГОСТ 8462—85 и СН290—74 и ультразвуковым методом по ГОСТ 24332—80.

Таблица 4.5. Рекомендации по выбору типа прибора в

зависимости от прочности бетона

Методы испытания	Приборы	Пределы прочности бетона, МПа
Метод пластической деформации: раствора бетона	Эталонный молоток, приборы ДПГ-4, ХПС, ПМ ДПГ-5 НИИЖБ	5...50 20...55 10...55
Метод упругого отскока	км Склерометр Шмидта	10...40 5...50
Метод отрыва соскалыванием	ГПНВ-5 со стержнями ГПНС-5 с разжимным конусом ГПНС-4	10...80 10...50
Метод отрыва	ГПНВ-5 с дисками	5...50 (для легких бетонов 5...3)
Метод скалывания ребра конструкции	УРС	10...70
Ультразвуковой импульсный метод	УКБ-1, УКБ-1М, «Бетон-транзистор», УК-ЮП, УФ-90ПЩ	10...50 (для легких бетонов 7,5...50)

Физико-механические характеристики металлических конструкций и арматуры железобетонных конструкций устанавливают стандартными испытаниями проб (образцов), вырезанных из эксплуатируемых элементов.

Марка металла и его качество проверяются путем статического растяжения образцов (определяется временное сопротивление, предел текучести, относительное удлинение); испытания образцов на ударную вязкость при температурах +20 и —20°С; химического анализа стали (устанавливается содержание углерода, кремния, марганца, серы и фосфора и др.); выявления распространения сернистых включений способом отпечатков по Бауману.

Из металлических конструкций образцы для механических испытаний вырезают в соответствии с ГОСТ 7564—73: из листовой стали—поперек направления прокатывания, из фасонной стали—вдоль. Темплеты: для выявления распространения сернистых включений способом отпечатков по Бауману вырезают из листовой и широкополосной стали — вдоль направления прокатки, а из сортового или фасонного проката — поперек по ГОСТ 5639—82*. Пробы для определения химического состава отбирают в соответствии с ГОСТ 7565—81 в виде металлической стружки в количестве не менее 50 г с одного элемента. Стружку допускается отбирать путем высверливания ручной дрелью. Ударная вязкость стали при нормальной и пониженной температуре устанавливается на плоских образцах с V-образным надрезом.

Для испытаний отбирают пробы от партии элементов, т. е. однотипных видов проката, одинаковых по номерам, толщинам, маркам стали и входящим в состав однотипных конструкций одной поставки или одного периода изготовления.

При выборе количества образцов для испытаний можно воспользоваться данными, приведенными в табл. 4.6.

Таблица 4.6. Рекомендации по выбору количества образцов для

определения физико-механических характеристик стали

Вид испытаний	Количество элементов от партии	Количество проб (образцов)
Вид испытаний	Количество элементов от партии	от элемента	всего от партии
Испытание на растяжение	2	1	2
Химический анализ Ударная вязкость при:	3	1	3
+ 20 0С -20 °С	2	3	6
Отпечатки по Бауману	2	1	2

В железобетонных конструкциях образцы арматуры для механических испытаний отбирают (вырезают) из стержней эксплуатируемых элементов минимум по два образца из одноименных стержней.

В целом отбор должен производиться на участках наименьших силовых воздействий с обязательным обеспечением прочности и устойчивости ослабленных элементов.

Прочность древесины деревянных конструкций неразрушающими методами можно установить огнестрельным способом, основанным на существовании зависимости между глубиной проникновения пули, плотностью и пределом прочности на сжатие, и используя ультразвуковые приборы, описанные выше, при известной связи между скоростью распространения ультразвука в древесине и ее упругой характеристикой (динамическим модулем упругости), по которой определяют предел прочности, а также прибором Певцова по отпечатку при падении шарика диаметром 25 мм с высоты 50 см и градуировочной зависимости.

StudFiles.ru

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТИ

Прочностью называют свойство материала сопротивляться разрушению от воздействия внешних сил, вызывающих внутренние напряжения. Под воздействием различных внешних нагрузок материалы в зданиях и сооружениях испытывают различные внутренние напряжения сжатия, растяжения, изгиба и др.

Прочность является важным свойством для многих строительных материалов, от ее величины зависит нагрузка, которую может воспринимать данный элемент при заданном сечении. Если материал обладает большей прочностью, то размер сечения строительного элемента может быть уменьшен.

Прочность строительных материалов принято характеризовать пределом прочности при сжатии (R_сж), при изгибе (R_изг) и при растяжении (R_р).

Таблица 1

Схемы стандартных методов определения прочности

Образец	Схема испытания	Материал	Размеры образцов,см
Испытание на сжатие
Куб		Бетон Раствор Природный камень	10х10х10 15х15х15 20х20х20 7,07х7,07х7,07 5х5х5
Цилиндр		Бетон Природный камень	d=15, h=30 d=h=5;7;10;15
Испытание на растяжение
Стержень, восьмерка, призма		Металл Бетон(призма, восьмерка(	l/d=10 l/d=5 5х5х50 10х10х80
Испытание на изгиб
Призма		Цемент Гипс Кирпич Бетон Древесин	4х4х16 4х4х16 15х15х15 2х2х30

Определяют ее путем испытания образцов материала соответствующей формы (табл.1) на гидравлических прессах(рис. 7), испытательных изгибающих или разрывных машинах.

Рис. 7. Схема гидравлического пресса для испытания на сжатие:

1 — станина; 2 — винтовое приспособление для зажима образца; 3 — верхняя опорная плита; 4 — испытуемый образец; 5 — нижняя опорная плита с шаровой поверхностью; 6 — поршень.

studopedia.ru

Прочность материалов

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТИ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ

Наблюдения за трещинами

2.14. Наблюдения за развитием трещин в стенах во времени осуществляются с помощью гипсовых, стеклянных или пластинчатых маяков. Рекомендуемые размеры и схемы установки указанных маяков на трещинах показаны на рис. 8.

2.15. Ширина раскрытия трещин измеряется с помощью:

Рис. 8. Маяки для наблюдения за раскрытием трещин, в стенах и перегородках

1 - трещина; 2 - маяк гипсовый или из стекла; 3 - металлическая пластинка; 4 - риски;

5 - гвоздь

- градуированных луп и микроскопов (МИР-2, МПБ-2) с 2,5-24-кратным увеличением;

- целлулоидных или бумажных трафаретов, с нанесенными на них линиями разной толщины от 0,05 до 2 мм, путем совмещения линий с краями трещины;

- масштабных линеек при раскрытии трещин более 2 мм (точность измерений ±0,3 мм).

При длительных наблюдениях ширина раскрытия трещин за рассматриваемый период определяется с помощью переносных индикаторов с ценой деления 0,01 мм и штангенциркулей с ценой деления 0,1 мм. Величина раскрытия принимается равной разности двух измерений расстояния между штырями (реперами) с центрирующим устройством, заделанными в конструкцию по обе стороны трещины.

2.16. Глубина развития несквозных (слепых) трещин h_тр определяется:

- по следу трещины на поверхности керна, высверленного из тела конструкции;

- с помощью стальных калиброванных щупов различной толщины по формуле

+ 5 мм, (2)

где d_н - раскрытие трещины снаружи в мм (среднее из трех измерений);

d_щ, h_щ - толщина щупа и глубина погружения щупа в трещину в мм без усилия (среднее из трех измерений при смещении щупа по трещине на 1-2 см);

- с помощью ультразвуковых приборов (УКБ-1М; УК-10П; УЗП-62 и др.) в соответствии с указаниями РТУ УССР 92-62.

Глубина трещины определяется по разности времени прохождения ультразвуковых импульсов в МКС на длине базы а - с трещиной и без трещины по формуле

, (3)

где t_l, t_a - время прохождения ультразвука соответственно на участке с трещиной и без трещины.

3.1. Прочность каменных, бетонных и железобетонных конструкций (стен, фундаментов, каркасов, перекрытий и т.п.) может определяться неразрушающими и разрушающими методами.

3.2. Неразрушающие методы позволяют определять прочность конструкций без ослабления сечения и снижения несущей способности при отборе образцов, кернов или проб материалов. К неразрушающим методам относятся механические (ударные, отрыва, скалывания) и ультразвуковые способы.

3.3. Ударно-механический способ используется для определения прочности материалов, обладающих пластическими свойствами (бетоны, растворы, силикатные материалы и т.п.).

Определение прочности производится по величине отпечатка шарика на поверхности конструкции при ударе с помощью приборов ударного действия (молотки Физделя, Кашкарова, пистолет ЦНИИСК, склерометры КМ и ПМ-2, Шмидта и др.) в соответствии с указаниями ГОСТ 22690.0-77; ГОСТ 22690.1-77; ГОСТ 22690.2-77 и по прочности отрыва и скалывания бетона ГОСТ 22690.3-77; ГОСТ 22690.4-77; ГОСТ 21243-75.

3.4. Ультразвуковой способ используется для определения прочности хрупких и нехрупких материалов в соответствии с требованиями ГОСТ 24732-80 (бетоны) и ГОСТ 17624-78 (силикатные камни). Оценка прочности конструкций производится по скорости распространения ультразвука в материале образца с помощью ультразвуковых приборов типа УКБ-1М, УК-10П, "Бетон-ЗМ" и др.

3.5. При разрушающих методах физико-механические свойства материалов (прочность, плотность, влажность и т.п.) стен, фундаментов и перекрытий определяется испытанием образцов и проб, взятых непосредственно из тела обследуемой конструкции или близлежащих участков, если имеются доказательства идентичности применяемых на этих участках материалов.

3.6. Отбор кирпича, камней и раствора из стен и фундаментов и образцов бетона из стеновых панелей и плит перекрытий производится из ненесущих (под окнами, в проемах) или слабо нагруженных элементов, или конструкций, подлежащих разборке и демонтажу.

3.7. Для оценки прочности кирпича, камней правильной формы и раствора из кладки стен и фундаментов отбираются целые, неповрежденные кирпичи или камни и пластинки раствора из горизонтальных швов.

3.8. Для определения прочности бетона и природных камней неправильной формы (бута) из фрагментов бетона или камней выпиливаются кубики с размером ребра 40-200 мм или высверливаются цилиндры (керны) диаметром 40-150 мм и длиной, превышающей диаметр на 10-20 мм.

3.9. Отбор проб и образцов (кернов) из несущих стен, столбов и простенков производится при условии, что ослабление сечения и несущей способности рассматриваемой конструкции не превысит при этом допустимой величины.

3.10. Отбор проб для определения влажности, плотности и физико-химических характеристик материалов производится ударным способом с помощью зубил, стальных шлямбуров с внутренним диаметром 10-20 мм или высверливанием кернов электродрелью со специальными полыми насадками.

3.11. Прочность (марка) полнотелого и пустотелого глиняного обыкновенного, силикатного и трепельного кирпича определяется разрушающим способом по ГОСТ 8462-85 как средний результат испытаний при сжатии пяти образцов "двоек" из двух целых или их половинок, умноженный на коэффициент 1,2, и пяти образцов на изгиб (всего 10 образцов). Для испытания на сжатие керамических, силикатных, бетонных и природных камней правильной формы опытные образцы изготавливаются из одного камня или одной его половинки.

3.12. Прочность (марка) природных камней правильной и неправильной формы, а также мелких и крупных блоков из тяжелого, силикатного, ячеистого бетонов и бетонов на пористых заполнителях допускается определять путем испытания на сжатие образцов-кубов или цилиндров, выпиленных или высверленных из камней, целых изделий или монолита. Предел прочности природных камней и мелких и крупных блоков из указанных бетонов вычисляется умножением результатов испытаний образцов-кубов или цилиндров на масштабные коэффициенты, указанные в табл. 1.

Таблица 1

Размер ребра куба или диаметр d и высота h = d, мм	Коэффициент для
кубов	цилиндров
	1,05	-
	1,0	1,05
	0,95	1,02
	0,85	0,91
40-50	0,75	0,81

Примечание. Коэффициенты табл. 1 могут использоваться при определении предела прочности обыкновенного глиняного и силикатного кирпича по данным испытаний кубиков и цилиндров с высотой ребра или диаметром 40-80 мм.

3.13. Прочность (марка) раствора кладки при сжатии взятого из швов, наиболее характерных участков стен, определяется в соответствии с требованиями ГОСТ 5802-86 и СН 290-74 путем испытания на сжатие кубов с ребрами 2-4 см, изготовленных из двух пластинок раствора, взятых из горизонтальных швов кладки или стыков крупнопанельных конструкций и склеенных и выравненных по контактным поверхностям гипсовым раствором толщиной 1-2 мм.

Испытание кубов из отвердевшего раствора производится через сутки после изготовления, а из оттаившего раствора через 2-3 ч. Марка раствора определяется как средний результат пяти испытаний, умноженный на коэффициенты (табл. 2).

Таблица 2

Вид раствора	Размер ребра куба, см

Коэффициент
Летний	0,58	0,68	0,8
Зимний, отвердевший после оттаивания	0,46	0,65	0,75

3.14. Прочность раствора по длине и высоте стен, столбов, простенков может сильно изменяться. В связи с этим отбор образцов раствора из швов кладки рекомендуется производить после предварительной приближенной оценки прочности (марки) раствора с помощью лезвия ножа или другого режущего инструмента. Приближенная оценка производится по характерным признакам повреждения растворного шва при строгающем движении острия ножа по поверхности шва (табл. 3).

3.15. Несущая способность кладки определяется по наименьшей прочности кирпича и раствора, если высота слоя кладки со слабым раствором составляет более трех рядов кирпича или камней.

Таблица 3

Марка раствора (приближенно)	Характерные признаки повреждения раствора шва при испытании лезвием ножа
0-2	Раствор легко рыхлится ножом, высыпается, выдувается
4-10	Раствор легко режется ножом
	Раствор режется с трудом, крошится
	Раствор крошится, но не режется
100 и более	На поверхности шва при движении лезвия ножа остается светлый или темный след