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Die Erfindung bezieht sich auf eine Prüfeinrichtung zur Ermittlung von bruchmechanischen
Kennwerten, bestehend aus einem geschlossenen Rahmen, in dem an gegenüberliegenden Seiten eine
Drückeinheit mit auswechselbarer Lasteinleitungsvorrichtung und ein Auflager vorgesehen sind, zwischen welchen ein Prüfkörper einsetzbar ist, wobei die Abstützflächen des Auflagers senkrecht auf die Druckkraftrichtung steht.
Prüfeinrichtungen der genannten Art sind in den Büchern von H. Blumenauer (Hsg.) : Werk- stoffprüfung, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, S. 35, 36,72 und Siebel : Hand- buch der Werkstoffprüfung (Springer Verlag) beschrieben und besitzen mit wenigen Ausnahmen die oben genannten Merkmale, wie z. B. einen geschlossenen mechanisch steifen Rahmen mit einer in einer Richtung angreifenden Lasteinleitungsvorrichtung. Die in der genannten Literatur beschrie- benen Prüfeinrichtungen sind hauptsächlich für die Bestimmung von mechanischen Kennwerten (z.
B.
Zug- und Druckfestigkeit, Elastizitätsmodulbestimmung usw.) für den Laborbetrieb konstruiert wor- den und lassen sich nicht ohne grössen Aufwand zur Bestimmung von bruchmechanischen Kennwerten an Bruchmechanikproben umbauen. Die Gründe hiefür sind die unterschiedlichen Probenformen und
Spannungsverhältnisse bei mechanischen Festigkeitsprüfungen und Bruchmechanikuntersuchungen.
Aus der US-PS Nr. 4, 075, 886 ist eine Vorrichtung bekannt, die zur Ermittlung von Material- kennwerten dient und aus einem Grundkörper (Rahmen), eine Drückeinheit mit Lasteinleitungsvor- richtung, sowie einer entsprechenden Auflage besteht. Sie weist keinen geschlossenen Rahmen auf und die Drückeinheit und das Auflager liegen einander nicht gegenüber, wie es bei der eingangs genannten Einrichtung der Fall ist.
Ziel der Erfindung ist es, die oben genannten Nachteile bei der Gewinnung von bruchmechani- schen Kennwerten mit den bisher bekannten Prüfeinrichtungen zu beseitigen und den Einsatzbereich auf einen Baustellenbetrieb, der eine möglichst einfache Handhabung erfordert, zu erweitern. Die- ses Ziel wird durch eine Prüfeinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass die Lasteinleitungsvorrichtung in an sich bekannter Weise eine Zerlegung der ausge- übten Druckkraft in zwei spiegelsymmetrisch zu ihr verlaufende Komponenten gewährleistet und dass die Abstützfläche des Auflagers einen geringen Reibungskoeffizienten aufweist.
Die erfindungsgemässe Einrichtung wird durch die besondere Art der Krafteinleitung und durch die besonders ausgeführte Abstützfläche für viele Bruchmechanikprobenarten verwendbar. Durch die getroffenen Massnahmen lassen sich leicht prismatische Proben-Körper (insbesondere würfelförmige Prüfkörper wie sie bei Druckuntersuchungen z. B. von Beton oder betonartigen Festkörpern verwendet werden) prüfen. Liegen z. B. von Beton, Fels oder andern Materialien bereits quader- oder würfelförmige Probestücke vor, so lassen sich daraus auf einfache Weise geeignete Proben für eine billige und rasche bruchmechanische Prüfung herstellen. Handelt es sich um andere geometrische Formen wie z. B.
Bohrkerne usw., so lassen sich auch diese mit einem geringen Aufwand zu Prüfkörpern modifizieren, die dann billig und einfach in der erfindungsgemässen Prüfeinrichtung im Labor oder auf einer Baustelle geprüft werden können.
Weiters kann die erfindungsgemässe Prüfeinrichtung durch die besondere Art der Krafteinleitung und der Abstützfläche bei allen Probenformen in leichter Bauweise ausgeführt werden, da durch den Prüfvorgang nur geringe mechanische Beanspruchungen der Prüfeinrichtung entstehen.
Die leichte Bauweise begünstigt eine Verwendung der erfindungsgemässen Einrichtung als mobile Einheit z. B. auf Baustellen und bei Feldprüfungen.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Lasteinleitungsvorrichtung in an sich bekannter Weise als Keil ausgebildet ist, dessen beide Keilflächen mit Gleitfolien versehen sind oder abgestützte Wälzkörper, beispielsweise Rollen, aufweisen, wodurch sich definierte Krafteinleitungsverhältnisse ergeben, die die nachgeschaltete numerische Berechnung wesentlich erleichtern.
Die nach der Kraftzerlegung an den Prüfkörperkeilflächen in Richtung der externen Prüfkraft wirkende Druckkomponente erzeugt im Prüfkörper parallel zum Anriss ein Druckspannungsfeld. Diese Druckspannung ist für die gewünschte Risswegstabilität notwendig. Nicht solcher Art vorgespannter Prüfkörper zeigen ein Abweichen im Rissverlauf von der Symmetrieebene und führen meist zu Fehlmessungen.
Es ist weiters von Vorteil, wenn die Lasteinleitungsvorrichtung aus einem Bogenelement besteht, das mit seinem Scheitelbereich an der Drückeinheit befestigbar ist. Alternativ dazu kann
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die Lasteinleitungsvorrichtung auch aus Y-förmigen Spreizleisten bestehen. Diese konstruktiven
Ausführungen bedingen, dass durch Dehnmessstreifen, die am Bogenelement bzw. an den Y-förmigen
Spreizleisten aufgeklebt sind, eine einfache Messung der ausgeübten Kraft auf den Probekörper möglich wird und darüber hinaus die Krafteinleitung einfach und unempfindlich für einen rauhen
Betrieb (z. B. auf Baustellen) wird.
Die Ausführung der Lasteinleitungsvorrichtung in Form eines einseitig abgeflachten Zylinders erweist sich wegen der Einfachheit vorteilhaft.
Vorzugsweise ist die Abstützfläche als gemeinsame Tangantialebene von Wälzkörpern, beispiels- weise Rollen oder Kugeln, definiert. Zweckmässigerweise kann sie auch eine Gleitschicht aufweisen, die aus Teflon bzw. Teflonflocken besteht. Diese Ausgestaltung bedingt, dass sich der Probekörper auch bei höheren Prüfkräften in der Tangentialebene leicht und mit geringer Reibung bewegen kann. Diese stark verringerte Reibung durch die erfindungsgemässe Ausführung garantiert einen nahezu einachsigen Druckspannungszustand im Auflagerbereich des Prüfkörpers.
In Einklang mit der Erfindung kann zum Einsatz in einer erfindungsgemässen Prüfeinrichtung der Prüfkörper, wie an sich bekannt, quader-, würfel- oder zylinderförmig ausgebildet sein, wobei er dann an einer Seite eine Kerbe mit V-Profil aufweisen muss, von deren Grund ein in das Körper- innere verlaufender, als Starterriss fungierender Schlitz ausgeht, dem ein von der gegenüberliegen- den Seite ausgehender und mit ihm fluchtender Risseinfangschlitz zugeordnet ist. Diese Merkmale bringen die Vorteile mit sich, dass der Prüfkörper leicht aus den oben genannten Proben-Rohformen herstellbar ist und einer, bezüglich des Rissverlaufes unproblematischen, schnellen Prüfung unterworfen werden kann.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Prüfeinrichtung mit eingebautem würfelförmigen Prüfkörper, Fig. 2 bis 7 Ausführungsformen von erfindungsgemässen Lasteinleitungsvorrichtungen, Fig. 8 und 9 erfindungsgemässe Ausführungsbeispiele der Abstützfläche und Fig. 10 und 11 erfindungsgemässe Prüfkörper.
Fig. 1 zeigt einen geschlossenen Rahmen --1-- an dessen oberen Querbalken die Drückeinheit - -2-- (hydraulische, mechanische, pneumatische oder elektromagnetische Einrichtung) eingebaut ist, um eine senkrecht auf das Auflager --7-- wirkende Kraft zu erzeugen. An der Drückeinheit - ist eine Kraftmesseinrichtung --11-- angebracht, an die wieder die Lasteinleitungsvorrichtung --3-- befestigt ist. Die Lasteinleitungsvorrichtung --3-- liegt in der V-Kerbe des Prüf- körpers --9-- mit einem Risseinfangschlitz --6-- und einem Starterriss --5-- auf der Keilfläche - auf. Zentriereinrichtungen --10-- sind an den Seitenschenkeln des geschlossenen Rahmens - angebracht.
Der Prüfkörper --9-- liegt auf einem Auflager --7--, das beispielsweise aus einer Sandwich-Konstruktion (Folie-Kugelschichte-Stahlplatte) besteht, auf dem unteren Querbalken des geschlossenen Rahmens --1-- auf. Alternativ könnte die Kraftmesseinrichtung --11-- und die Drückeinheit --2-- im unteren Querbalken des geschlossenen Rahmens --1-- eingebaut sein.
Fig. 2 zeigt eine Lasteinleitungsvorrichtung in Form eines Keiles, dessen Keilflächen mit Gleit- folien --13-- versehen sind. In der Ausführungsform gemäss Fig. 3 und 4 sind an Stelle der Gleitfolien Wälzkörper in Form von Rollen --14-- oder Segmentkörpern --15-- an den Keilflächen vorgesehen.
Fig. 5 zeigt eine Lasteinleitungsvorrichtung in Form eines Bogenelementes --16--, das mit
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--2-- befestigtFig. 6 zeigt eine Lasteinleitungsvorrichtung in Form von Y-förmig angeordneten Spreizleisten - -19--, auf die Dehnmessstreifen --17-- aufgeklebt sind. Die Kraftverteilung erfolgt über ein Gelenk --20-- auf die Schenkel, die wieder über Rollen --18-- die Kraft auf die Keilflächen --4-- des Probekörpers --9-- übertragen.
Fig. 7 zeigt schematisch eine Lasteinleitungsvorrichtung in Form eines einseitig abgeflachten Zylinders --21--.
Fig. 8 zeigt eine Abstützfläche für den Probekörper --9--, welche eine Gleitschicht --8-aufweist.
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Fig. 9 zeigt eine Abstützfläche für den Prüfkörper --9--, welche als eine gemeinsame Tangentialebene von Wälzkörpern definiert ist.
Fig. 10 zeigt einen Schrägriss eines würfelförmigen Prüfkörpers --9--. In der oberen Würfel- fläche --12-- ist eine keilförmige Nut mit einem als Starterriss fungierenden Schlitz --5--, dem wieder ein Risseinfangschlitz --6-- fluchtend gegenüberliegt.
Fig. 11 zeigt einen Schrägriss eines zylindrischen Prüfköprers --9-- (Bohrkern). Eine keilförmige Nut ist parallel zur Achsrichtung am Umfang des Zylinders eingearbeitet.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Prüfeinrichtung zur Ermittlung von bruchmechanischen Kennwerten, bestehend aus einem geschlossenen Rahmen, in dem an gegenüberliegenden Seiten eine Drückeinheit mit auswechselbarer Lasteinleitungsvorrichtung und ein Auflager vorgesehen sind, zwischen welchen ein Prüfkörper einsetzbar ist, wobei die Abstützfläche des Auflagers senkrecht auf die Druckkraftrichtung steht, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasteinleitungsvorrichtung (3) in an sich bekannter Weise eine Zerlegung der ausgeübten Druckkraft in zwei spiegelsymmetrisch zu ihr verlaufende Komponenten gewährleistet und dass die Abstützfläche des Auflagers (7) einen geringen Reibungskoeffizienten aufweist.
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The invention relates to a test device for determining fracture mechanics
Characteristic values, consisting of a closed frame, in which one on opposite sides
Pressing unit with interchangeable load application device and a support are provided, between which a test specimen can be inserted, the support surfaces of the support being perpendicular to the direction of the pressure force.
Test facilities of the type mentioned are described in the books by H. Blumenauer (ed.): Werkstoffprüfung, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, pp. 35, 36.72 and Siebel: Handbuch der Werkstoffprüfung (Springer Verlag) with a few exceptions have the above characteristics, such as B. a closed mechanically rigid frame with a one-way load application device. The test facilities described in the literature mentioned are mainly for the determination of mechanical parameters (e.g.
B.
Tensile and compressive strength, determination of modulus of elasticity, etc.) have been designed for laboratory use and cannot be converted without great effort to determine fracture mechanical parameters on fracture mechanics samples. The reasons for this are the different sample shapes and
Stress relationships in mechanical strength tests and fracture mechanics tests.
A device is known from US Pat. No. 4, 075, 886, which is used to determine material characteristics and consists of a base body (frame), a pushing unit with load introduction device, and a corresponding support. It does not have a closed frame and the pressing unit and the support are not opposite one another, as is the case with the device mentioned at the beginning.
The aim of the invention is to eliminate the above-mentioned disadvantages in the extraction of fracture mechanical parameters with the previously known test devices and to extend the area of use to a construction site operation which requires the simplest possible handling. This aim is achieved according to the invention by a test device of the type mentioned at the outset in that the load introduction device ensures, in a manner known per se, that the pressure exerted is broken down into two components running in mirror symmetry with respect to it and that the support surface of the support has a low coefficient of friction.
The device according to the invention can be used for many types of fracture mechanics due to the special type of force application and the specially designed support surface. The measures taken make it easy to test prismatic specimens (especially cube-shaped specimens such as those used in pressure tests such as concrete or concrete-like solids). Lying z. B. from concrete, rock or other materials already cuboid or cube-shaped specimens before, it can be easily made suitable samples for a cheap and quick fracture mechanical test. Are there other geometric shapes such. B.
Drill cores, etc., can also be modified with little effort to test specimens, which can then be tested cheaply and easily in the test device according to the invention in the laboratory or on a construction site.
Furthermore, due to the special type of force application and the support surface, the test device according to the invention can be designed with a light construction in all sample forms, since the test process results in only slight mechanical stresses on the test device.
The lightweight design favors the use of the device according to the invention as a mobile unit such. B. on construction sites and field tests.
It proves to be advantageous if the load application device is designed in a manner known per se as a wedge, the two wedge surfaces of which are provided with sliding foils or have supported rolling elements, for example rollers, which result in defined force application ratios which significantly facilitate the subsequent numerical calculation.
The pressure component acting on the test specimen wedge surfaces in the direction of the external test force generates a compressive stress field in the test specimen parallel to the crack. This compressive stress is necessary for the desired crack path stability. Test specimens that are not of this type show a deviation in the course of the crack from the plane of symmetry and usually lead to incorrect measurements.
It is also advantageous if the load application device consists of an arch element which can be fastened to the pressing unit with its apex region. Alternatively, you can
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the load application device also consist of Y-shaped spreader bars. This constructive
Versions require that by strain gauges on the arch element or on the Y-shaped
Spreading strips are glued on, a simple measurement of the force exerted on the test specimen is possible and, moreover, the force application is simple and insensitive to a rough
Operation (e.g. on construction sites).
The design of the load application device in the form of a cylinder flattened on one side proves to be advantageous because of the simplicity.
The support surface is preferably defined as a common tangential plane of rolling elements, for example rollers or balls. It can also expediently have a sliding layer which consists of Teflon or Teflon flakes. This configuration means that the specimen can move easily and with little friction in the tangential plane even with higher test forces. This greatly reduced friction due to the design according to the invention guarantees an almost uniaxial compressive stress state in the bearing area of the test specimen.
In accordance with the invention, for use in a test device according to the invention, the test specimen, as known per se, can be cuboid, cube-shaped or cylindrical, in which case it must then have a notch with a V-profile on one side, the bottom of which has an in the slit acting as a starter crack runs out of the interior of the body, to which a crack trapping slot, which starts from the opposite side and is flush with it, is assigned. These features have the advantages that the test specimen can be easily produced from the above-mentioned raw sample forms and can be subjected to a rapid test which is unproblematic with regard to the crack course.
The invention is explained in more detail below with reference to exemplary embodiments shown in the drawings. 1 shows a schematic illustration of a test device according to the invention with a built-in cube-shaped test body, FIGS. 2 to 7 embodiments of load introduction devices according to the invention, FIGS. 8 and 9 exemplary embodiments of the support surface according to the invention and FIGS. 10 and 11 test objects according to the invention.
Fig. 1 shows a closed frame --1-- on the upper crossbar the pressing unit ---2-- (hydraulic, mechanical, pneumatic or electromagnetic device) is installed in order to apply a force perpendicular to the support --7-- produce. A force measuring device --11-- is attached to the push unit - to which the load transfer device --3-- is attached again. The load application device --3-- lies in the V-notch of the test specimen --9-- with a crack trap slot --6-- and a starter crack --5-- on the wedge surface. Centering devices --10-- are attached to the side legs of the closed frame.
The test specimen --9-- rests on a support --7--, which consists for example of a sandwich construction (foil-ball-layer steel plate), on the lower crossbeam of the closed frame --1--. Alternatively, the force measuring device --11-- and the pressing unit --2-- could be installed in the lower crossbeam of the closed frame --1--.
Fig. 2 shows a load application device in the form of a wedge, the wedge surfaces of which are provided with sliding foils --13--. In the embodiment according to FIGS. 3 and 4, rolling elements in the form of rollers --14-- or segment bodies --15-- are provided on the wedge surfaces instead of the sliding foils.
Fig. 5 shows a load application device in the form of an arch element --16--, which with
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--2-- attached 6 shows a load application device in the form of Y-shaped spreading strips - -19-- onto which strain gauges --17-- are glued. The force is distributed via a joint --20-- to the legs, which again transmit the force to the wedge surfaces --4-- of the test specimen --9-- via rollers --18--.
Fig. 7 shows schematically a load application device in the form of a cylinder flattened on one side --21--.
8 shows a support surface for the test specimen -9-, which has a sliding layer -8-.
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Fig. 9 shows a support surface for the test specimen --9--, which is defined as a common tangential plane of rolling elements.
Fig. 10 shows an oblique view of a cube-shaped test specimen --9--. In the upper surface of the cube --12-- there is a wedge-shaped groove with a slot --5-- which acts as a starter crack, which is again aligned with a crack trap slot --6--.
Fig. 11 shows an oblique view of a cylindrical test piece --9-- (drill core). A wedge-shaped groove is machined parallel to the axial direction on the circumference of the cylinder.
PATENT CLAIMS:
1.Testing device for determining fracture mechanical parameters, consisting of a closed frame in which a pushing unit with a replaceable load introduction device and a support are provided on opposite sides, between which a test specimen can be inserted, the support surface of the support being perpendicular to the direction of the pressure force, thereby characterized in that the load application device (3) ensures, in a manner known per se, that the pressure exerted is broken down into two mirror-symmetrical components and that the support surface of the support (7) has a low coefficient of friction.