CZ29020U1 - Zkušební těleso pro zkoušku betonu a vláknobetonu v osovém tahu a přípravek k jeho upevnění - Google Patents

Description

Předkládané řešení se týká přípravku pro zkoušku betonu a vláknobetonu v osovém tahu, který umožňuje zkoušet všechny typy betonu a vláknobetonu, to je se všemi typy užívaných vláken. Dosavadní stav techniky

V současnosti se ve stavebnictví stále větší měrou uplatňují kompozitní materiály, tzv. vláknobetony, jejichž struktura je ztužena náhodně rozptýlenými vlákny, tak zvanou dispersní výztuží. Předností vláknobetonů oproti betonům běžným, dnes ve stavební výrobě užívaným, jsou především pevnostní charakteristiky v tahu. Podle zásad značení pevnostních tříd běžných betonů by měly být obdobně značeny i vláknobetony. V pevnostní třídě vláknobetonů musí být kromě charakteristických pevností v tlaku uváděny také charakteristické pevnosti v prostém osovém, tahu, a to jak při vzniku trhlin, tak i po něm.

Metody pro měření tahových charakteristik vláknobetonů se liší, v závislosti na způsobu provedení zkoušky velikostí a tvarem zkušebních těles, uspořádáním zkoušek a způsobem vyhodnocením výsledků. Pevnosti, které charakterizují osový tah zkoušeného vláknobetonu, jsou dosud odvozovány ze zkoušek ohybem, případně příčným tahem. Ukazuje se, že stále není k dispozici objektivní a zároveň technicky jednoduchá experimentální zkouška pro přímé zjištění pevnosti v osovém tahu, jejímž záznamem by navíc byl přímo pracovní diagram materiálu, to je závislost přenášeného napětí na přetvoření materiálu. Například dnes ojediněle prováděná zkouška v osovém tahu na válci o průměru 150 mm a výšce 300 mm vyžaduje před zahájením zkoušky vytvoření zářezu po obvodu válce v polovině jeho výšky. Tím se ztrácí objektivita výsledku zkoušky, neboť je předem určen průřez, ve kterém dojde k tahovému porušení zkušebního tělesa. Pro kompozitní materiály, kterými vláknobetony jsou, se tak ve výsledku neprojeví míra nehomogenity materiálu, která je jeho rozhodující charakteristikou pro návrh konstrukcí se zaručenou spolehlivostí. Navíc způsob uchycení zkušebního tělesa v podobě nalepení čelních ocelových desek na podstavy válce představuje z hlediska opakovatelnosti zkoušky výrazný technický problém.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nevýhody odstraňuje zkušební těleso pro zkoušku betonu a vláknobetonu v osovém tahu a přípravek k jeho upevnění podle předkládaného řešení.

Nové zkušební těleso jez betonu nebo vláknobetonu a má tvar čtyřbokého hranolu s proměnnou šířkou průřezu po jeho délce. Koncové části tělesa mající čtvercový nebo obdélníkový průřez tvoří horní a spodní hlavu tělesa. Mezi horní a spodní hlavou tělesa se šířka průřezu tělesa symetricky, vzhledem k příčné ose zkušebního tělesa mění vytvořením redukcí ve dvou protilehlých stranách. Pod horní a pod spodní hlavou je vytvořena rovinná redukce, která je zkosená pod úhlem 45°. Na tuto rovinnou redukci navazuje přímá část, která přechází v redukci křivkového tvaru s tečným napojením na společnou střední přímou část konstantní šířky.

Ve výhodném provedení jsou minimální rozměry průřezu hlav B x H rovny 150 mm x 150 mm, kde B je šířka a H výška čtvercového nebo obdélníkového průřezu hlavy tělesa, a délka hlavy je rovna minimálně 40 % její šířky. Minimální délka rovinné redukce je 10 mm a její maximální délka je 10 % šířky hlavy. Délka přímé části je rovna minimálně 20 % většího z rozměrů průřezu hlavy. Délka a šířka redukce křivkového tvaruje minimálně 10 mm a současně minimálně 10 % šířky hlavy zkušebního tělesa, přičemž poměr délky k šířce je maximálně 2:1. Šířka střední přímé části je minimálně 100 mm a maximálně 2/3 šířky hlavy zkušebního tělesa a její minimální délka je 100 mm.

- 1 CZ 29020 Ul

Podstatou přípravku pro upevnění zkušebního tělesa je, že sestává ze dvou shodných ocelových úchytů pro uchycení konců zkušebního tělesa, a to z horního a ze spodního úchytu. Každý úchyt je tvořen obdélníkovou čelní roznášecí deskou opatřenou ve směru namáhání dvojicí výztuh, mezi nimiž je ve středu čelní roznášecí desky vytvořen kruhový otvor. Do kruhového otvoru je zapuštěn kruhový ocelový prstenec, jehož vnitřní povrch je směrem k vnějšímu obvodu kónicky zkosen. V tomto kruhovém ocelovém prstenci je osazen kloubový čep ve tvaru válce s kónicky se rozšiřující dolní podstavou. Jeho homí část je upravena pro upnutí do lisu. Součástí každého z dvojice úchytů jsou dvě příložné boční desky. Každá z nich je opatřena dvojicí podélných výztuh. Na homí část bočních desek navazuje v kolmém směru krátká příruba pro dosednutí na čelní roznášecí desku. Spodní část bočních desek je opatřena válcovým zakončením pro liniové podepření zkušebního tělesa v oblasti rovinné redukce. Na krajích bočních desek jsou vytvořeny otvory pro jejich fixaci spínacími závitovými tyčemi umístěnými vně povrchu zkušebního tělesa.

Podstata předkládaného řešení tedy spočívá v návrhu specifického tvaru zkušebního tělesa pro zkoušku vláknobetonu v osovém tahu a dílů speciálního ocelového úchytu, pomocí kterého je zkušební těleso uchyceno do trhacího stroje. Toto uspořádání umožňuje realizaci zkoušky, při které je střední přímá část zkušebního tělesa namáhána osovým tahem. Zatěžování řízené nárůstem deformace umožňuje pořídit záznam závislosti zatěžovací síly na délkovém přetvoření středové části zkušebního tělesa, přičemž tyto údaje poskytují přímo pracovní diagram v tahu zkoušeného materiálu.

Celé uspořádání zkoušky je založené na liniovém podepření koncových částí zkušebního tělesa, přes která je do tělesa vnášena tahová síla. Při zkoušce se využívá skutečnosti, že pevnost vláknobetonu v příčném tahu je cca o 30 % větší než pevnost materiálu v tahu osovém. Tlaková síla v místě liniového podepření tělesa tak nezpůsobí jeho příčné roztržení, neboť dříve dojde k tahovému porušení střední přímé části tělesa.

Uspořádání zkoušky vláknobetonu v osovém tahu, pomocí přípravku, který je předmětem předkládaného řešení, je technicky méně náročné a umožňuje zkoušet všechny typy vláknobetonu, to je se všemi typy užívaných vláken. Navrhovaný tvar a velikost zkušebního tělesa nemá podstatný vliv na usměrnění ocelových vláken. Výsledek zkoušky vždy zohlední míru homogenity vláknobetonu dosaženou při výrobě zkušebního tělesa. Zkouška se navíc vyznačuje snadnou výrobou zkušebních těles i samotným uspořádáním.

Objasnění výkresů

Příklad přípravku pro zkoušku betonu a vláknobetonu v osovém tahu bude dále popsán pomocí přiložených výkresů. Na obr. la je uveden čelní pohled na tvar zkušebního tělesa, na obr. Ib je jeho bokorys a na obr. lc je řez hlavou zkušebního tělesa. Na obr. 2a je schematicky naznačen ocelový úchyt zkušebního tělesa v čelním pohledu. Obr. 2b znázorňuje jeho bokorys a na obr. 2c je pohled na úchyt shora. Na obr. 3a je zobrazen půdorys čelní roznášecí desky, na obr. 3b a obr. 3c jsou boční pohledy na čelní roznášecí desku a na obr. 3d je příčný řez deskou. Obr. 3e zobrazuje pohled na kloubový čep, obr. 3f zobrazuje jeho příčný řez. Na obr. 4a je zobrazen boční pohled na boční desku, na obr. 4b je horizontální řez boční deskou a na obr. 4c je vertikální řez boční deskou. Pohled na upnuté zkušební těleso je uveden na obr. 5.

Příklady uskutečnění technického řešení

Přípravek pro zkoušku betonu a vláknobetonu v osovém tahu se skládá ze zkušebního tělesa i a ze dvou shodných ocelových úchytů Ul, U2. Zkušební těleso 1 je betonové nebo vláknobetonové ve tvaru hranolu s proměnným průřezem po jeho délce, obr. la, obr. Ib a obr. lc a je symetrické vzhledem k příčné ose zkušebního tělesa i.

Koncové části hranolu tvoří homí hlavu 1.1a a spodní hlavu 1.1b. kde příčný řez těmito hlavami může být čtvercový nebo obdélníkový. Je výhodné, jsou-li minimální rozměry průřezu hlav Β χ H rovny 150 mm x 150 mm, kde B je šířka a H výška čtvercových nebo obdélníkových

-2CZ 29020 Ul průřezů hlav tělesa 1.1a a 1.1b. Délka a horní hlavy 1.1a a spodní hlavy 1.1b zkušebního tělesa i se odvíjí od jeho celkových rozměrů. Z důvodu spolehlivého přenosu vnášeného zatížení by neměla být menší než 40 % šířky B horní hlavy 1.1a, respektive spodní hlavy 1.1b zkušebního tělesa 1.

Pro zkušební těleso i je charakteristická dvojí redukce šířky průřezu. První redukce s rozměry b x f je vytvořena jako rovinná redukce 1.2 pod úhlem 45° a navazuje na horní hlavu 1.1a, resp. na spodní hlavu 1.1b. Tato rovinná redukce 1.2 slouží k liniovému podepření zkušebního tělesa 1 speciálním ocelovým úchytem Ul, resp. U2. V tomto místě je do zkušebního tělesa 1 vnášena zatěžovací síla. Rozměry této rovinné redukce 1.2 se opět odvíjejí od velikosti celého zkušebního tělesa i, avšak minimální velikost její výšky b je 10 mm, maximální velikost je 10 % z šířky B.

Na tuto rovinnou redukci 1.2 průřezu navazuje přímá část 13. která slouží k dosažení dostatečné distance mezi místem podepření, kde se projevuje složitá víceosá napjatost, a předpokládaným místem porušení zkušebního tělesa i. Její délka c by měla být minimálně 20 % většího z rozměrů BaH.

Následuje druhá redukce průřezu, a to redukce 1.4 křivkového tvaru s rozměry d x g, která slouží k vytvoření oslabené středové části zkušebního tělesa i, ve které je možné očekávat jeho porušení. Tuto přechodovou část je vhodné realizovat v křivkovém tvaru s tečným napojením na střední přímou část 1,5 zkušebního tělesa i. Minimální velikost délky d a šířky g je 10 mm a současně alespoň 10% šířky B hlavy zkušebního tělesa 1. Maximální rozměry nejsou omezeny, pokud bude zachován minimální rozměr šířky i střední přímé části 1.5 tělesa i. Poměr rozměrů d: g by neměl být větší než 2:1. V opačném případě hrozí reálné porušení zkušebního tělesa X při zkoušce právě v této oblasti.

Nejvíce oslabená střední přímá část 1,5 zkušebního tělesa X má již konstantní šířku i. Zároveň by měla mít vždy dostatečnou délku e, aby se na měřené pevnosti vláknobetonu v osovém tahu plně uplatnila nehomogenita betonu nebo vláknobetonu vyrobeného zkušebního tělesa X. Šířka i střední přímé části 1.5 je minimálně 100 mm, maximálně pak 2/3 šířky B hlavy zkušebního tělesa X. Délka e střední přímé části 1,5 je minimálně 100 mm, maximální rozměr není omezen, pouze je potřeba zohlednit celkovou velikost zkušebního tělesa X.

Druhý rozměr H příčného řezu zkušebním tělesem X je konstantní po celé délce, obr. lb.

Specifický tvar celého zkušebního tělesa X lze vytvořit jednoduchým vyvložkováním protilehlých stran trámcové formy. Základní neredukované rozměry průřezu trámce, to znamená průřezu horní hlavy 1.1a a spodní hlavy 1,1b, mohou být individuální, neměly by však být menší než 150 mm. V opačném případě dochází zejména v zúžených částech tělesa k nežádoucímu usměrňování vláken.

Zkušební těleso X je před zkouškou nutné upnout pomocí dvojice ocelových úchytů, a to horního úchytu Ul a spodního úchytu U2, obr. 2a, obr. 2b, obr. 2c a celá sestava na obr. 5, do trhacího stroje. Uspořádání těchto úchytů Ul, resp. U2 musí zajistit jednak nepoddajné podepření zkušebního tělesa X a zároveň vnesení osové tahové síly při vyloučení momentového účinku zatížení do sledované části zkušebního tělesa X, tedy do střední přímé části 1.5 z obr. la. Zároveň musí umožňovat rychlou a nenáročnou montáž a manipulaci se zkušebním tělesem X.

Každý z dvojice navržených úchytů UX, U2 se skládá z čelní roznášecí desky 2, kloubového čepu 3, dvojice bočních desek 4 a dvojice spínacích závitových tyčí 5 včetně podložek a matic. Tyto díly ocelového úchytu jsou uvedeny na obr. 2a, obr. 2b a obr. 2c. Detaily úchytu pak zobrazují obr. 3 a až obr. 3f.

Čelní roznášecí deska 2 má tvar obdélníku a v jejím středu je vytvořen kruhový otvor 22. Do kruhového otvoru 2.2 je zapuštěn kruhový ocelový prstenec 23, jehož vnitřní povrch je kónicky zkosen směrem k vnějšímu obvodu. Kruhový ocelový prstenec 2.3 slouží k následnému osazení kloubové čepu 3. Čelní roznášecí deska 2 je ve směru namáhání opatřena dvojicí výztuh 2.1, které zabraňují její deformaci při zatížení.

-3CZ 29020 Ul

Kloubový čep 3 slouží k uchycení celé sestavy do trhacího stroje. Má tvar válce s kónicky se rozšiřující dolní podstavou. Kloubový čep 3 se osazuje do kruhového ocelového prstence 23 čelní roznášecí desky 2. Rozdílné úhly zešikmení povrchu spodní části kloubového čepu 3 a vnitřního povrchu kruhového ocelového prstence 2,3 umožňují při zkoušce naklánění kloubového čepu 3 ve směru působící síly, a tím zabraňují vnášení excentricit sil do zkušební sestavy. Kloubový čep 3 je vhodné v místě určeném pro upnutí do lisu, tedy v jeho homí části, povrchově upravit, např. zdrsnění povrchu při užití samosvomých čelistí nebo vytvoření šroubového závitu, aby byla zajištěna dostatečná spolehlivost upnutí.

Boční desky 4 slouží k přímé fixaci zkušebního tělesa I a vnášení zatížení do zkušebního tělesa

I. Boční desky 4 se přikládají se na protilehlé boční strany homí hlavy 1.1a a spodní hlavy 1.1b zkušebního tělesa 1 a následně jsou vzájemně sepnuty dvojicí závitových tyčí 5. Na homí část každé boční desky 4 navazuje v kolmém směru krátká příruba 4.2, obr. 4a a obr. 4b, kterou se boční desky 4 při zkoušce opírají o čelní roznášecí desku 2. Spodní část bočních desek 4 je opatřena válcovým zakončením 43, prostřednictvím kterého dochází v oblasti rovinné redukce 1.2 zkušebního tělesa 1 kjeho liniovému podepření ve směru namáhání. Na okrajích bočních desek 4 jsou vytvořené otvory 4.4 pro protažení závitových tyčí 5. Každá boční deska 4 je opatřena dvojicí podélných výztuh 4.1, zabraňujících deformaci desky při zatížení.

Závitové tyče 5, procházející skrz otvory 4.4 v bočních deskách 4 před a za úrovní zkušebního tělesa 1, slouží k fixaci bočních desek 4 k povrchu zkušebního tělesa I. Je použito pouze lehké dotažení matic, které zajišťuje nepohyblivost přípravku vůči zkušebnímu tělesu I a zachycuje tendenci oddalování bočních desek 4 při rostoucím zatížení. Dotažení nevyvozuje příčné předepnutí hlav 1.1a a 1.1b zkušebního tělesa 1.

Montáž ocelových úchytů Ul a U2 i následné upnutí zkušebního tělesa i do trhacího stroje představuje jednoduchý proces, který zvládne jedna zaškolená osoba. Celý postup lze rozdělit do následujících kroků.

Nejprve se provádí montáž bočních desek 4 na zkušební těleso i. Dvě boční desky 4 jsou současně přiloženy k bočním stranám homí hlavy 1.1a a spodní hlavy 1.1b zkušebního tělesa I, přičemž v oblasti rovinné redukce 1.2 zkušebního tělesa i dochází k liniovému kontaktu válcových zakončení 43 bočních desek 4 se zkušebním tělesem I. Boční desky 4 jsou následně před a za úrovní zkušebního tělesa i konstrukčně sepnuty závitovými tyčemi 5. Tento postup se provede dvakrát, postupně pro homí hlavu 1.1a a spodní hlavu 1.1b zkušebního tělesa i.

V dalším kroku dochází k upnutí čelní roznášecí desky 2 horního úchytu Ul do trhacího stroje. Do kruhového ocelového prstence 23 čelní roznášecí desky 2 je vsazen kloubový čep 3 a čelní roznášecí deska 2 je přes kloubový čep 3 upnuta do homí části trhacího stroje. Způsob upnutí může být různý podle technického provedení stroje, samosvomé čelisti, šroubový závit, a podobně.

Následuje osazení zkušebního tělesa I do trhacího stroje. Zkušební těleso 1 s namontovanými bočním deskami 4 se nasadí na čelní roznášecí desku 2 upnutou ve stroji. Zkušební těleso 1 je tak zavěšené na homí části stroje. Poté dochází k osazení čelní roznášecí desky 2 spodního úchytu U2. Do spodního úchytu U2 upnutého na spodní hlavě 1.1b zkušebního tělesa 1 se vsadí čelní roznášecí deska 2 s kloubovým čepem 3. Tento spodní úchyt U2 zkušebního tělesa I je pomocí čelní roznášecí desky 2 a kloubového čepu 3 upnut do spodní části trhacího stroje. Následně je provedena rektifikace osazení, která zajistí osové namáhání zkušebního tělesa i při zkoušce.

Pro provedení zkoušky je nutné na zkušební těleso i osadit snímače délkové deformace. Montáž snímačů je nutné přizpůsobit jejich technickému provedení. V případě, že je nutné pro uchycení snímačů přilepit na povrch zkušebního tělesa i držáky snímačů. Tento krok je vhodné provést ještě před montáží upínacích dílů, čímž vznikne úspora času vzhledem k době vytvrdnutí lepidla.

V případě mechanického připevňování snímačů je možné tento krok provést po montáži bočních desek nebo po osazení zkušebního tělesa I do zkušebního stroje. Montáž snímačů není předmětem předkládaného řešení.

-4CZ 29020 Ul

Průmyslová využitelnost

Navrhovaný přípravek pro zkoušku vláknobetonu v osovém tahu s uvedenými parametry rozšiřuje možnosti určování pevností vláknobetonu v prostém tahu, a to pro všechny typy betonových a vláknobetonových kompozitů. Vzhledem k rozměrům zkušebního tělesa potlačuje negativní faktor usměrnění vláken, zejména kovových, a zohledňuje vliv nehomogenity ztvrdlého vláknobetonu. Jak výroba, tak ošetřování zkušebních těles, jsou jednoduché, neboť na tělesech není před zkouškou potřeba provádět dodatečné úpravy. Důležitým faktorem pro užití v praxi je možnost opakovatelnosti zkoušky s krátkou prodlevou mezi jednotlivými experimenty. Po skončení předešlé zkoušky je ocelový úchyt ihned k dispozici k opětovnému použití. Jeho sejmutí a následné sestavení a upevnění na nové zkušební těleso zabere čas v řádu jednotek minut. Čas, který je zapotřebí k provedení zkoušky, závisí na použité rychlosti zatěžování.

Claims (3)

NÁROKY NA OCHRANU

1. Zkušební těleso pro zkoušku betonu a vláknobetonu v osovém tahu, vyznačující se tím, že zkušební těleso (1) je z betonu nebo vláknobetonu a má tvar čtyřbokého hranolu s proměnnou šířkou průřezu po jeho délce, kde koncové části tělesa (1) mající čtvercový nebo obdélníkový průřez o šířce B a výšce H, tvoří homí hlavu (1.1a) a spodní hlavu (1.1b), mezi nimiž se průřez hranolu po celé délce, symetricky vzhledem k příčné ose zkušebního tělesa (1), mění vytvořením redukcí ve dvou protilehlých stranách, kdy pod homí hlavou (1.1a) a pod spodní hlavou (1.1b) je vytvořena rovinná redukce (1.2) zkosená pod úhlem 45°, na kterou navazuje přímá část (1.3) přecházející v redukci (1.4) křivkového tvaru s tečným napojením na společnou střední přímou část (1.5) konstantní šířky.

2. Zkušební těleso podle nároku 1, vyznačující se tím, že minimální rozměry průřezu hlav (1.1a, 1.1b) B x H jsou 150 mm x 150 mm a jejich délka a je minimálně rovna 40 % šířky B, minimální délka b rovinné redukce (1.2) je 10 mm a její maximální délka je 10 % šířky B hlavy, délka c přímé části (1.3) je minimálně rovna 20 % většího z rozměrů B a H, délka d a šířka g redukce (1.4) křivkového tvaru je minimálně 10 mm a současně minimálně 10 % šířky B hlavy zkušebního tělesa, přičemž poměr rozměrů d: g je maximálně 2:1, a šířka i střední přímé části (1.5) je minimálně 100 mm a maximálně 2/3 šířky B hlavy zkušebního tělesa (1) a její minimální délka e je 100 mm.

3. Přípravek pro upevnění zkušebního tělesa podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že sestává ze dvou shodných ocelových úchytů pro uchycení konců zkušebního tělesa (1) a to z horního úchytu (Ul) a ze spodního úchytu (U2), kde každý úchyt (Ul, U2) je tvořen obdélníkovou čelní roznášecí deskou (2) opatřenou ve směru namáhání dvojicí výztuh (2.1) mezi nimiž je ve středu čelní roznášecí desky (2) vytvořen kruhový otvor (2.2), do něhož je zapuštěn kruhový ocelový prstenec (2.3), jehož vnitřní povrch je směrem k vnějšímu obvodu kónicky zkosen a v tomto kruhovém ocelovém prstenci (2.3) je osazen kloubový čep (3) ve tvaru válce s kónicky se rozšiřující dolní podstavou, jehož homí část je upravena pro upnutí do lisu, a součástí každého z dvojice úchytů (Ul, U2) jsou dvě příložné boční desky (4), z nichž každá je opatřena dvojicí podélných výztuh (4.1), kde na homí část bočních desek (4) navazuje v kolmém směru krátká příruba (4.2) pro dosednutí na čelní roznášecí desku (2) a spodní část bočních desek (4) je opatřena válcovým zakončením (4.3) pro liniové podepření zkušebního tělesa (1) v oblasti rovinné redukce (1.2), na krajích bočních desek (4) jsou vytvořeny otvory (4.4) pro fixaci bočních desek (4) spínacími závitovými tyčemi (5) umístěnými vně povrchu zkušebního tělesa (1).