RU2696815C1

RU2696815C1 - Method for experimental determination of static-dynamic characteristics of concrete

Info

Publication number: RU2696815C1
Application number: RU2019101336A
Authority: RU
Inventors: Наталия Витальевна Федорова; Михаил Дмитриевич Медянкин
Priority date: 2019-01-17
Filing date: 2019-01-17
Publication date: 2019-08-06

Abstract

FIELD: construction.

SUBSTANCE: present invention relates to construction, particularly to experimental determination of parameters of static-dynamic deformation of concrete. During testing two experimental twin samples are used, loading of which is carried out in two stages without damping elements, therein, at first step, both specimens are loaded with quasi-static load to preset level. At second step, first sample is loaded to destruction by high-speed (impact) load, second – by quasi-static load, as at first stage of tests. During loading deformations increments and ultimate destructive load are recorded, and then by results of measurements of deformations of maximum static and dynamic loads diagrams of "stress – deformation" of concrete at static-dynamic for first sample and static load for second sample are plotted, after that, according to these diagrams dynamic module is determined depending on limiting time of dynamic loading and level of stress state, from which dynamic loading is performed, as well as dynamic strength of concrete and coefficient of increasing concrete dynamic strength.

EFFECT: determining dynamic modulus of concrete deformations depending on limiting time of dynamic loading and level of stress state from which dynamic loading is performed, as well as dynamic strength of concrete and coefficient of increasing concrete dynamic strength under various loading conditions.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области строительства, в частности к определению параметров деформирования бетона при его статико-динамическом догружении до уровня, не превышающего статический предел прочности бетона на сжатие и динамическом догружении с заданным ускорением (скоростью) до разрушения.The invention relates to the field of construction, in particular to determining the parameters of concrete deformation during its static-dynamic loading to a level not exceeding the static compressive strength of concrete and dynamic loading with a given acceleration (speed) to failure.

Проектирование железобетонных конструкций при особых, в том числе аварийных воздействиях, ведется с использованием статических и статико-динамических деформационных и прочностных характеристик бетона.The design of reinforced concrete structures under special, including emergency, impacts is carried out using static and static-dynamic deformation and strength characteristics of concrete.

Призменную прочность и модуль деформаций бетона определяют в ходе проведения статических испытаний путем постепенного (ступенчатого) нагружения бетонных образцов с использованием пресса [1]. Недостатком данного способа является невозможность определения характеристик статико-динамического деформирования бетона.The prismatic strength and the deformation modulus of concrete are determined in the course of conducting static tests by gradual (stepwise) loading of concrete samples using a press [1]. The disadvantage of this method is the inability to determine the characteristics of the static-dynamic deformation of concrete.

Расширение области экспериментального определения статико-динамических характеристик бетона, заключается в возможности получения параметров диаграмм деформирования бетона при статическом приложении нагрузки и динамическом догружении способом, описанном в [2]. Данный способ позволяет определять параметры статико-динамического догружения бетона в зависимости от уровня статического нагружения путем динамического догружения бетонного образца. Недостатком данного способа является относительно невысокая динамическая нагрузка на образец и скорость нагружения бетонных призм, что ограничивает испытания высокопрочного бетона, а также относительно невысокая точность измерений из-за значительного демпфирования ромбового домкрата и пружины кольцевого типа.The expansion of the field of experimental determination of the static-dynamic characteristics of concrete consists in the possibility of obtaining parameters of concrete deformation diagrams under static load application and dynamic loading by the method described in [2]. This method allows to determine the parameters of static-dynamic loading of concrete depending on the level of static loading by dynamic loading of concrete sample. The disadvantage of this method is the relatively low dynamic load on the sample and the loading speed of concrete prisms, which limits the testing of high-strength concrete, as well as the relatively low measurement accuracy due to significant damping of the diamond jack and ring type spring.

Наиболее близким решением к заявленному изобретению является способ экспериментального определения статико-динамических диаграмм деформирования бетона, в котором [3] за счет применения оси с различными диаметрами сечений, осуществляется деформирование образца при резком нагружении на заданную величину. Техническим результатом этого изобретения является упрощение способа испытания, расширение возможности заранее задавать перемещение при догружении. Недостатком данного способа экспериментального определения статико-динамических характеристик бетона также является наличие целой системы механических устройств (типа пружин) с различными демпфирующими характеристиками, которые значительно снижают точность определения предельного времени и динамического догружения от момента начала догружения до разрушения бетонного образца. Кроме того, указанный способ не позволяет фиксировать картину деформаций и процесс образования и развития трещин при нагружении образца и измерять динамические деформации.The closest solution to the claimed invention is a method for experimental determination of static-dynamic diagrams of concrete deformation, in which [3] through the use of an axis with different cross-section diameters, the sample is deformed under sharp loading by a predetermined value. The technical result of this invention is to simplify the test method, expanding the ability to pre-set the movement when loading. The disadvantage of this method of experimental determination of the static-dynamic characteristics of concrete is also the presence of a whole system of mechanical devices (such as springs) with various damping characteristics, which significantly reduce the accuracy of determining the limiting time and dynamic loading from the moment the loading starts to the destruction of the concrete sample. In addition, this method does not allow to record the pattern of deformations and the process of formation and development of cracks during loading of the sample and to measure dynamic deformations.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является определение динамического модуля деформаций бетона в зависимости от предельного времени динамического догружения и уровня напряженного состояния, с которого производится динамическое догружение, а также динамической прочности бетона и коэффициента увеличения динамической прочности бетона при различных режимах нагружения.The technical result to which the invention is directed is to determine the dynamic modulus of deformation of concrete depending on the limit time of dynamic loading and the level of stress state from which dynamic loading is performed, as well as the dynamic strength of concrete and the coefficient of increase in the dynamic strength of concrete under various loading conditions.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе экспериментального определения характеристик статико-динамического деформирования бетона, заключающимся в закреплении опытного бетонного образца в виде бетонной призмы между нагрузочными плитами испытательного стенда с использованием центрирующего устройства, обеспечивающего центральное приложение сжимающей нагрузки в процессе нагружения, и регистрации усилия нагружения, деформаций и трещинообразования призмы во времени, с использованием высокоскоростной динамо-машины и цифровой опытно-измерительной системы, типа VIC-2D, действие которой совмещено с высокоскоростной оптической камерой, типа PHOTRON GASTCAM SA2, согласно изобретению нагружение с использованием динамо-машины производится в два этапа и для двух образцов. На первом этапе - кратковременное, непрерывное повышение нагрузки со скоростью 0,6±0,2 МПа/сек до заданного уровня в обоих образцах под обычным прессом и выдержкой их под нагрузкой для стабилизации нагружения, на втором - высокоскоростное динамическое догружение (удар) молотом динамической машины с заданной скоростью нагружения на контактной поверхности опытного образца до разрушения для первого образца и непрерывным догружением второго образца со скорость 0,6±0,2 МПа/сек до разрушения последнего.The technical result is achieved by the fact that in the proposed method for the experimental determination of the characteristics of static-dynamic deformation of concrete, which consists in securing a prototype concrete sample in the form of a concrete prism between the loading plates of the test bench using a centering device that provides a central application of compressive load during loading and registration of effort loading, deformation and cracking of a prism in time using high-speed dynamo -machines and digital pilot measurement system, such as VIC-2D, the effect of which is combined with high-speed optical camera type PHOTRON GASTCAM SA2, according to the invention using a loading dynamo performed in two stages for the two samples. At the first stage - a short-term, continuous increase in load at a speed of 0.6 ± 0.2 MPa / s to a predetermined level in both samples under a conventional press and holding them under load to stabilize loading, at the second - high-speed dynamic loading (impact) with a dynamic hammer machines with a given loading speed on the contact surface of the prototype to failure for the first sample and continuous loading of the second sample with a speed of 0.6 ± 0.2 MPa / s until the destruction of the latter.

На фигуре 1 представлена схема устройства для реализации предлагаемого способа определения предельного времени динамического догружения, динамического модуля и динамической прочности бетона (фиг. 1, разрез А-А), состоящего из бетонного образца в виде призмы 1, с соотношением высоты к размеру сечения призмы равным четырем (h/a=4), которая устанавливается в специальное устройство, состоящее нижней плиты 2, тяжей 3, верхней подвижной плиты - траверсы 4, опирающейся сверху на центрирующую полусферическую пластину 5, нижняя плита 4 и верхняя плита - траверса 5 имеют по углам отверстия в которые пропускаются тяжи 3, на которые сверху над плитой - траверсой одеваются цилиндрические втулки 6 и на верхние концы тяжей, имеющих резьбу на длине выше втулок, навинчиваются гайки 7. Втулки 6 имеют внутренний диаметр больше диаметра тяжа, что исключает трение между втулкой и тяжом при динамическом догружении испытуемого образца-призмы и обеспечивает вертикальное перемещение верхней плиты-траверсы 4 с центрирующей пластиной 5. Центрирующая полусферическая пластина 5 позволяет обеспечить шарнирно подвижное на верхнем торце и неподвижное на нижнем торце опирание образца-призмы и исключает изменяемость устройства при нагружении.The figure 1 presents a diagram of a device for implementing the proposed method for determining the time limit of dynamic loading, dynamic module and dynamic strength of concrete (Fig. 1, section AA), consisting of a concrete sample in the form of prism 1, with a ratio of height to size of the prism section equal to four (h / a = 4), which is installed in a special device consisting of the lower plate 2, strands 3, the upper movable plate - traverse 4, resting on top of the centering hemispherical plate 5, the lower plate 4 and the upper plate - t obverse 5 has angles in the openings into which the strands 3 are passed, onto which cylindrical bushings 6 are worn on top of the traverse plate and nuts 7 are screwed onto the upper ends of the strands having a thread longer than the bushings. The bushings 6 have an inner diameter larger than the diameter of the strand, which eliminates friction between the sleeve and the strand during dynamic loading of the test sample-prism and provides vertical movement of the upper plate-traverse 4 with the centering plate 5. The centering hemispherical plate 5 allows you to provide articulated on movable at the upper end and stationary at the lower end of the bearing of the sample-prism and eliminates the variability of the device during loading.

Собранное описанным способом устройство вместе с образцом-призмой устанавливается на нижнюю платформу 8 высокоскоростной динамо - машины прижимается сверху через жесткий штамп 9 до начала нагружения исследуемого образца. Для регистрации деформационных характеристик и центрирования бетонных образцов призм при их статическом нагружении используются тензорезисторы 10 и 11, устанавливаемые на боковых поверхностях образцов призм. По вертикальным осям их боковых поверхностей - для измерения продольных деформаций, и посередине высоты образца - для измерения поперечных деформаций. Для регистрации деформационных структурно-механических характеристик образцов призм и процесса трещинообразования при их динамическом нагружении используется цифровой опытно-измерительной системы типа VIC-2D, действие которой совмещено с высокоскоростной оптической камерой 12 типа PHOTRON GASTCAM SA2.The device assembled in the described manner, together with the prism sample, is mounted on the lower platform 8 of a high-speed dynamo - the machine is pressed from above through a hard stamp 9 until the loading of the test sample begins. To register the deformation characteristics and centering of concrete samples of prisms during their static loading, strain gages 10 and 11 are used, which are installed on the side surfaces of the prism samples. On the vertical axes of their lateral surfaces - for measuring longitudinal strains, and in the middle of the height of the sample - for measuring transverse strains. To record the deformational structural and mechanical characteristics of prism samples and the crack formation process under dynamic loading, a VIC-2D digital test system is used, the action of which is combined with a high-speed optical camera 12 of the PHOTRON GASTCAM SA2 type.

Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.

До начала нагружения опытных образцов в них создается усилие обжатия. Начальное усилие обжатия образца, которое в последующем принимают за условный нуль, должно быть не более 2% от ожидаемой разрушающей нагрузки. Перед испытанием образец с приборами устанавливают центрально по разметке плиты пресса и проверяют совмещение начального отсчета с делением шкалы прибора. При центрировании образцов необходимо, чтобы в начале испытания от условного нуля до нагрузки, равной (40+5%) от разрушающей отклонения деформаций по каждой грани (образующей) не превышали 15% их среднего арифметического значения.Before the loading of the prototypes, a compression force is created in them. The initial compression force of the sample, which is subsequently taken as conditional zero, should be no more than 2% of the expected breaking load. Before testing, the sample with the instruments is set centrally on the marking of the press plate and the combination of the initial count with the division of the scale of the device is checked. When centering the samples, it is necessary that at the beginning of the test from a conditional zero to a load equal to (40 + 5%) from the destructive deviation of the strains on each face (generatrix) not exceed 15% of their arithmetic mean value.

Нагружение первого образца-близнеца осуществляется в два этапа. На первом этапе - низкоскоростное статическое нагружение производится под прессом непрерывно со скоростью 0,6±0,2 МПа/сек до заданного уровня нагрузки, не превышающего 0,6 от разрушающей и нагрузка в образце призмы, фиксируется путем закручивания гаек 7. Образец выдерживается до 5 минут при этой нагрузкой для того чтобы перенести его из-под пресса на динамо - машину с измерением деформаций до и после выдержки. На втором этапе испытаний первый образец-близнец догружается высокоскоростным нагружением (ударом) до его разрушения. При этом цифровой системой высокоскоростной камеры регистрируется приращение деформаций опытного образца до его разрушения, предельная динамическая нагрузка и предельное время динамического нагружения.The loading of the first twin sample is carried out in two stages. At the first stage, low-speed static loading is performed under the press continuously at a speed of 0.6 ± 0.2 MPa / s to a predetermined load level not exceeding 0.6 from the breaking load and the load in the prism sample is fixed by tightening the nuts 7. The sample is held up to 5 minutes at this load in order to transfer it from under the press to a dynamo - a machine with strain measurements before and after exposure. At the second stage of testing, the first twin sample is loaded with high-speed loading (impact) until it is destroyed. In this case, a digital system of a high-speed camera records the increment of the deformations of the prototype before its destruction, the ultimate dynamic load and the ultimate dynamic loading time.

Второй образец-близнец нагружается с той же скоростью что и первый на первом этапе нагружения до заданного уровня нагружения. На втором этапе после аналогичной первому образцу-близнецу выдержки, второй образец-близнец нагружается также, как и на первом этапе испытаний но до разрушения. При этом регистрируются приращения деформаций цифровой опытно-измерительной системой типа VIC-2D, действие которой совмещено с высокоскоростной оптической камерой типа PHOTRON GASTCAM SA2 и тензорезисторами до разрушения, а также предельная разрушающая нагрузка.The second twin sample is loaded at the same speed as the first in the first stage of loading to a given level of loading. In the second stage, after exposure similar to the first twin sample, the second twin sample is loaded as well as in the first test stage, but before failure. In this case, strain increments are recorded by a VIC-2D type digital experimental measuring system, the action of which is combined with a high-speed optical camera of the PHOTRON GASTCAM SA2 type and strain gauges before failure, as well as the ultimate breaking load.

По результатам измерений деформаций предельной статической и динамической нагрузок строятся диаграммы (фиг. 2) «напряжения-деформации» бетона («σ-ε») при статико-динамическом кривая 1 (о-а - статический участок, а-б - динамический участок) для близнеца 1 и статическом - кривая 2 (о-а и а-с - статические участки) для близнеца 2 нагружении. По этим диаграммам определяются начальный модуль деформации бетона E₀=tgα₀ и динамический модуль E₁ ^d=tgα₁ в зависимости от предельного времени динамического догружения, динамическая прочность бетона и ϕ - коэффициент увеличения динамической прочности бетона, равный отношению R_b ^d/R_b.According to the results of measurements of strains of the ultimate static and dynamic loads, diagrams are constructed (Fig. 2) of the "stress-strain" of concrete ("σ-ε") with a static-dynamic curve 1 (o-a - static section, a-b - dynamic section) for twin 1 and static - curve 2 (oa and ac - static sections) for twin 2 loading. These diagrams determine the initial modulus of concrete deformation E ₀ = tgα ₀ and the dynamic modulus E ₁ ^d = tgα ₁ depending on the limit time of dynamic loading, the dynamic strength of concrete and ϕ is the coefficient of increase in the dynamic strength of concrete equal to the ratio R _b ^d / R _b .

[1] ГОСТ 24452-80 Бетоны. Методы определения призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона. - М.: НИИЖБД. 1982. - 15 с. [1] GOST 24452-80 Concrete. Methods for determining prismatic strength, elastic modulus and Poisson's ratio. - M .: NIIZHBD. 1982. - 15 p.

[2] Патент РФ №2482480, кл. G01N 3/00, 2006[2] RF patent No. 2482480, cl. G01N 3/00, 2006

[3] Патент РФ №2545781, кл. G01N 33/38 (2006.01) G01N 3/00, 2006 8[3] RF patent No. 2545781, cl. G01N 33/38 (2006.01) G01N 3/00, 2006 8

Claims

1. The method of experimental determination of the parameters of static-dynamic deformation of concrete, which consists in fixing a prototype concrete sample in the form of a prism in the clamps of a test device that provides a central application of load during loading and recording forces and deformations of a prism in time using a strain gauge station and a high-speed digital optical system, the action of which is combined with an external camera, characterized in that two prototype twin models are used, the loading of which exists in two stages without the use of damping elements, while in the first stage both samples are loaded with a quasi-static load to a predetermined level, in the second stage the first sample is loaded until it is destroyed by a high-speed (shock) load, the second - with a quasistatic load, as in the first stage of testing, and in the process of loading, strain increments and ultimate tensile load are recorded, and then diagrams are constructed from the results of measurements of deformations of ultimate static and dynamic loads " stresses - deformations ”of concrete under static-dynamic loading for the first sample and static loading for the second sample, after which these diagrams determine the dynamic modulus depending on the time limit for dynamic loading, the dynamic strength of concrete and the coefficient of increase in the dynamic strength of concrete.

2. A method for experimentally determining the parameters of static-dynamic deformation of concrete according to claim 1, characterized in that at the first stage, low-speed static loading of the samples is carried out under a press continuously at a speed of 0.6 ± 0.2 MPa / s to a given level of static load equal to the load at which the dynamic module is determined.