Wabashpress.ru

Техника Гидропрессы
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое модуль упругости бетона

Что такое модуль упругости бетона

Александр Кудрявый

Одной из основных задач проектирования является рациональный выбор сечения профиля и материала строительной конструкции. Необходимо найти золотую середину, при которой выбранный размер при оптимальной массе будет под воздействием расчётных нагрузок обеспечивать сохранение формы. При этом нельзя допустить перерасход материала и соответственно увеличение финансовых затрат. С этой целью технологами был разработан модуль упругости бетона. От чего зависит показатель и как проходят испытания, расскажем сегодня в обзоре Homius.

Модуль упругости: что это такое и его единицы измерения

Ещё в середине XVII века во многих странах учёные начали заниматься исследованием материалов. Они применяли различные методики и технологии для определения характеристик прочности. Учёный из Англии Роберт Гук сформулировал главные правила удлинения упругих тел под воздействием нагрузки, благодаря ему было введено понятие модуля Юнга.

Согласно закону Гука, абсолютное растяжение/сжатие прямо пропорционально приложенной нагрузке с коэффициентом пропорциональности. Эта величина и называется модулем упругости и измеряется в следующих единицах:

  • кгс/кв. см;
  • т/кв. м;
  • МПа.

Величина обозначается буквой Е и имеет различные величины, а также зависит от разных факторов. В лабораторных исследованиях были получены коэффициенты, которые сведены в общие таблицы. Характеристики показателя определяются согласно стандарту 52-101-2003.

Модуль упругости бетона

Сводная таблица показателей

Факторы, влияющие на модуль Юнга

Модуль Юнга – это основная характеристика бетона, определяющая его прочность. Благодаря величине проектировщики проводят расчёты устойчивости материала к различным видам нагрузок. На показатель влияют многие факторы:

  • качество и количество заполнителей;
  • класс бетона;
  • влажность и температура воздуха;
  • время воздействия нагрузочных факторов;
  • армирование.

Модуль упругости позволяет проектировщикам правильно рассчитывать нагрузку

ФОТО: dostroy.com Модуль упругости позволяет проектировщикам правильно рассчитывать нагрузку

Качество и количество заполнителей

Качество бетона зависит от его заполнителей. Если компоненты имеют низкую плотность, соответственно, модуль Юнга будет небольшим. Упругость материала возрастает в несколько раз, если применяются тяжёлые наполнители.

Крупные компоненты увеличивают характеристики упругости

ФОТО: russkaya-banja.ru Крупные компоненты увеличивают характеристики упругости

График зависимости предела прочности материала от цементного камня

ФОТО: ivdon.ru График зависимости предела прочности материала от цементного камня

Класс материала

На коэффициент влияет и класс бетона: чем он ниже, тем меньше значение модуля упругости. Например:

  • модуль упругости у В10 соответствует значению 19;
  • В15 – 24;
  • В-20 – 27.5;
  • В25 – 30;
  • показатель у В30 возрастает до значения 32,5.

Зависимость от класса бетона

ФОТО: buildingclub.ru Зависимость от класса бетона

Как влияют на показатель влажность и температурные значения

На рост деформаций и уменьшение упругих свойств материала влияют:

  • повышение температуры воздуха;
  • увеличение солнечной активности.

Под воздействием негативных факторов окружающей среды внутренняя энергия материала увеличивается, это приводит к линейному расширению бетона и соответственно, к увеличению пластичности.

Важно! Понижение температурных колебаний от 20 °C не учитывают в расчётах.

На ползучесть материала оказывает влажность, приводящая к изменению упругих характеристик. Чем выше содержание водяных паров, тем ниже коэффициент.

Влияние влажности на ползучесть бетона

ФОТО: betonpro100.ru Влияние влажности на ползучесть бетона

Время воздействия нагрузки и условия твердения смеси

На показатель упругости влияет время воздействия нагрузки:

  • при мгновенном усилии на бетонную конструкцию деформативность прямо пропорциональна величине внешней нагрузке;
  • при длительном воздействии значения коэффициента уменьшаются.

Во время проведения исследований было отмечено, если бетон твердеет естественным способом, модуль упругости у него выше в отличие от пропаривания материала в различных условиях. Это объясняется тем, что при использовании внешних условий в бетоне образуются пустоты и поры в большом количестве, ухудшающие его упругие свойства.

Читайте так же:
Почистить стиральную машину лимонной кислотой от накипи

Зависимость модулей упругости от разных факторов

ФОТО: udarnik.spb.ru Зависимость модулей упругости от разных факторов

Возраст бетона и армирование конструкции

Прочность бетона находится в прямой зависимости от его возраста, со временем показатель только увеличивается. Ещё один фактор, положительно влияющий на модуль упругости бетона, – армирование, которое препятствует деформации материала.

Для конструкций, которые будут эксплуатироваться под большими нагрузками, необходима укладка металлической решётки

ФОТО: 63-ds.netsamara.ru Для конструкций, которые будут эксплуатироваться под большими нагрузками, необходима укладка металлической решётки

Способы определения модуля упругости

Определить модуль упругости можно двумя способами:

  • механическим, для него используются образцы;
  • ультразвуковым, при котором не происходит разрушение образцов.

Механический способ

Механическое испытание проводят согласно стандарту СП 24452-80.

Механическое испытание бетона на прочность

ФОТО: pinterest.co.uk Механическое испытание бетона на прочность

Материалы и инструменты

Для испытания принимаются квадратные или круглые образцы, их соотношение между высотой и шириной (сечением) должно быть равно четырём. Изделия сериями по 3 штуки выпиливают или вырезают из готовых конструкций либо отливают в формах согласно стандарту 10180-78. После этого их помещают под влажную материю до начала испытаний.

Испытания проводят на специальном оборудовании – прессе, состоящем из приборов, размещённых под разными направлениями по отношению к граням образца бетона. К рамкам из металла или опорным вставкам прикреплены индикаторы, измеряющие уровень деформации.

Для испытаний нужна определённая партия образцов

ФОТО: tdzhil.ru Для испытаний нужна определённая партия образцов

Пресс для проведения испытаний

ФОТО: masterabetona.ru Пресс для проведения испытаний

Схема испытания образцов

Испытания проводят по такой схеме:

  1. К бетонным заготовкам крепят приборы.
  2. Образцы помещают на пресс-платформу, совмещая центр основания с осью заготовки.
  3. Выставляют базовую нагрузку.
  4. Усилие увеличивают до 45% от базового.
  5. Если пресс не запрограммирован под такую нагрузку, приборы снимают и продолжают испытания с постоянной скоростью.
  6. В таблицу заносят результаты испытаний всех заготовок при нагрузке 30% от разрушающей.

По результатам испытаний можно определить начальный модуль упругости. Показатель характеризует свойства бетона под воздействием нагрузки, при которой начинают происходить изменения.

Определяем модуль деформации испытаниями штампом, прессиометром, методом компрессионного сжатия и методом трехосных испытаний в стабилометре

Деформационные характеристики грунтов требуются при расчетах оснований по второй группе предельных состояний. Например, при определении осадок фундаментов по СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений». Также испытания грунтов штампом применяется при контроле качества грунтов оснований фундаментов, полов.

Модуль деформации или как его называют в механике сплошной среды – модуль Юнга является коэффициентом пропорциональности зависимости «деформация-напряжение», предложенной Гуком в виде:

в котором каждому равному приращению одноосного напряжения σ соответствует пропорциональное возрастание деформации ε .

Грунты показывают линейно упругое поведение до относительно небольших нагрузок. Однако даже при этом при разгрузке в грунтах возникает остаточная деформация. Поэтому полагают, что при нагружении до предела пропорциональности для грунтов также справедлива линейная зависимость Гука, однако при больших нагрузках деформации в грунтах нелинейно зависят от напряжений. Это особенно важно при проектировании высотных зданий, когда давление по подошве фундаментов может составлять более 1000 кПа. Испытания образцов грунта в стабилометре позволяют определять касательный модуль деформации подобный модулю Юнга. Подобие модуля деформации модулю Юнга позволяет использовать решения теории упругости при расчете осадки фундаментов.

Отличия модуля упругости от модуля деформации

Модуль упругости всегда больше модуля общей деформации. Модуль

Читайте так же:
Плотность алюминия в расплавленном состоянии

упругости определяется из испытаний образцов грунта при их упругом поведении, которое имеет место при разгрузке (ветвь аb), а модуль общей деформации, характеризующий поведение грунта при наличии как упругих, так и остаточных деформаций, и находят из испытаний по ветви нагружения Oа.

Касательный и секущий модуль деформации

Из закона Гука следует постоянство модуля деформации (модуль упругости). В то же время из следующего рисунка видно, что этот закон справедлив только до точки a зависимости напряжение – деформация.

Если участок Oa прямолинейный, то, проведя через него линию и определив угол ее наклона получим касательный модуль деформации

В то же время через точки О и а можно провести секущую,совпадающую с касательной к начальному участку кривой деформирования грунта. Угол наклона этой секущей также будет равен углу наклона касательной. Поэтому на начальном участке кривой деформирования касательный модуль Et совпадает с секущим модулем деформации Es.

При небольшом уровне деформации (менее 0,01–0,05 %) значения касательного Et и секущего модулей Es деформации равны и характеризуют упругое поведение грунта, т.е. Es = Et = E.

Если провести прямую из начала координат в точку c, то она будет секущей к кривой деформирования, и ее наклон будет определять значение секущего модуля деформации Es при уровне напряжений σc , соответствующем точке c. Значение этого модуля используется при проектировании фундаментов мелкого заложения с учетом допуска развития некоторой степени остаточных деформаций, ограниченных величиной расчетного сопротивления грунта основания.

Если провести прямую, касательную к точке с, то по углу ее наклона можно вычислить касательный модуль деформации Et . Этот модуль можно использовать для определения приращения осадки фундамента, соответствующего приращению внешней нагрузки, например, от следующего надстраиваемого этажа здания.

Если теперь провести прямую через точки с и b, то угол ее наклона позволит вычислить значение упругого модуля при разгрузке грунта.

Этот модуль Ee используется для расчета величины подъема дна котлована при его разработке.

Прямая, проведенная через точки b и е, используется для определения модуля Er, характеризующего повторное нагружение грунта, после его разгрузки. Например, нагружение основания глубокого котлована (более 5 м) весом этажей, равным весу вынутого грунта.

При циклическом нагружении грунта, после определенного количества циклов «нагрузка – разгрузка» грунт начинает вести себя упруго, без остаточной деформации. В этом случае его упругая осадка определяется с помощью упругого модуля Ec, который находится из наклона прямой gf.

Этот модуль используется, например, при проектировании железнодорожного балласта или жесткого покрытия автомобильного полотна.

Определение модуля деформации методом компрессионного сжатия в одометре и методом трехосного сжатия в стабилометре

В стабилометре модуль общей деформации оказывается больше компрессионного модуля общей деформации в несколько раз. Это объясняется различным видом напряженно-деформированного состояния, возникающего в образцах грунта при их нагружении, что видно из следующего рисунка.

Найденные значения модулей деформации должны быть уточнены с результатами испытаний того же грунта штампами.

Определение модуля деформации грунта штампом

Испытания грунтов штампом проводятся для определения деформационных характеристик грунтов перед проектированием, строительством или при контроле качества уплотнения грунтов.

В ходе испытаний определяется:

⦁ Модуль деформации E;

⦁ Начальное просадочное давление p sl и относительная деформация просадочности основания ε sl ;

Читайте так же:
Схема перемотки якоря своими руками

Штамповые испытания грунтов. Метод штампа грунты.

Проведение штамповых испытаний.

Вкратце суть статических испытаний грунтов оснований штампами можно описать так:

Круглый плоский или винтовой штамп нагружается поэтапно (ступенями) посредством домкрата или пригружается грузом (ФБС блоки, плиты или тяжелая техника: экскаватор, грузовой автомобиль и т.д.). Нагрузка при проведении штамповых испытаний увеличивается ступенями.

На каждом этапе с помощью прогибомеров или датчиков перемещений измеряются деформации основания, соответствующие давлению на данном этапе.

Данные обрабатываются, заносятся в журнал и строится график зависимости осадки штампа от давления S = f(P).

По полученным данным определяют модуль деформации Е, МПа грунта.

Для определения модуля деформации следует построить график зависимости осадки штампа от давления под его подошвой и в пределах линейного участка этой зависимости найти значения приращения давления и осадки. Модуль определяется углом наклона прямой линии, проведенная через две точки кривой деформирования, то этот модуль правильнее называть секущим модулем деформации.

Следует иметь в виду, что за начало линейного участка принимается давление на грунт, равное бытовому давление на глубине испытаний, а за окончание этого же линейного участка, давление равное дополнительным напряжениям от внешней нагрузки .

Определение модуля деформации грунта прессиометром

Наиболее часто используется балонный прессиометр, предложенный Менардом. Значительно реже применяются самозабуривающийся и конусный прессиометры. Испытания прессиометром можно выполнить в дисперсных и скальных грунтах, прочность которых на одноосное сжатие не превышает 10 МПа. В опытах измеряется давление, изменение объема или радиуса рабочей камеры. После обработки результатов измерений можно найти предельное давление pl и прессиометрический модуль деформации Ep , последний определяется с использованием решения теории упругости или смешанной задачи теории упругости и теории пластичности о расширении цилиндрической полости. Интерпретация результатов испытаний зависит от типа прессиометра.

Данному виду испытаний присущ существенный недостаток обусловленный тем, что для проведения испытаний необходимо предварительно пробурить скважину диаметром несколько большим диаметра прессиометра. Кроме того при проходке скважины структура грунта вблизи стенок разрушается. Эти два фактора оказывают влияние на характер зависимости «изменение объема рабочей камеры – давление» в виде образования нелинейной зависимости на участке ob кривой деформирования.

При определении характеристик грунтов модуля деформации используют прямолинейный участок ab.

Значение модуля деформации находится из выражения:

Модуль деформации грунта. Скачать брошюру "ГеоШтамп" в формате PDF

Испытания штампом. Скачать брошюру "ГеоШтамп" в формате PDF

Заказать испытания грунтов

Все права защищены, 2010-2030

Копирование информации с данного сайта допускается только со ссылкой на http://geostamp.ru

Предложения, размещенные на данном интернет-сайте, не являются публичной офертой.

Что характеризует модуль упругости материала? В каких единицах он измеряется?

Модуль упругости — общее название нескольких физических величин, характеризующих способность твёрдого тела (материала, вещества) упруго деформироваться (то есть не постоянно) при приложении к нему силы. В области упругой деформации модуль упругости тела определяется производной (градиентом) зависимости напряжения от деформации, то есть тангенсом угла наклона диаграммы напряжений-деформаций:

где λ (лямбда) — модуль упругости; p — напряжение, вызываемое в образце действующей силой (равно силе, делённой на площадь приложения силы); — упругая деформация образца, вызванная напряжением (равна отношению изменения размера образца после деформации к его первоначальному размеру). Если напряжение измеряется в паскалях, то, поскольку деформация является безразмерной величиной, единицей измерения λтакже будет паскаль. Альтернативным определением является определение, что модуль упругости — это напряжение, достаточное для того, чтобы вызвать увеличение длины образца в два раза. Такое определение не является точным для большинства материалов, потому что это значение намного больше чем предел текучести материала или значения, при котором удлинение становится нелинейным, однако оно может оказаться более интуитивным.

Читайте так же:
Металл находящийся в жидком состоянии

Разнообразие способов, которыми могут быть изменены напряжения и деформации, включая различные направления действия силы, позволяют определить множество типов модулей упругости. Здесь даны три основных модуля:

§ Модуль Юнга (E) характеризует сопротивление материала растяжению/сжатию при упругой деформации, или свойство объекта деформироваться вдоль оси при воздействии силы вдоль этой оси; определяется как отношение напряжения к деформации сжатия(удлинения). Часто модуль Юнга называют просто модулем упругости.

§ Модуль сдвига или модуль жесткости (G или ) характеризует способность материала сопротивляться изменению формы при сохранении его объёма; он определяется как отношение напряжения сдвига к деформации сдвига, определяемой как изменение прямого угла между плоскостями, по которым действуют касательные напряжения). Модуль сдвига является одной из составляющих явления вязкости.

§ Модуль объёмной упругости или Модуль объёмного сжатия (K) характеризует способность объекта изменять свой объём под воздействием всестороннего нормального напряжения (объёмного напряжения), одинакового по всем направлениям (возникающего, например, при гидростатическом давлении). Он равен отношению величины объёмного напряжения к величине относительного объёмного сжатия. В отличие от двух предыдущих величин, модуль объёмной упругости невязкой жидкости отличен от нуля (для несжимаемой жидкости — бесконечен).

Пояснить продольную и поперечную деформации. Как они взаимосвязаны?

Дать определение коэфициенту Пуассона. Чему он численно равен?

Коэффициент Пуассона (обозначается как или ) характеризует упругие свойства материала.

При приложении к телу растягивающего усилия оно начинает удлиняться (то есть продольная длина увеличивается), а поперечное сечение уменьшается. Коэффициент Пуассона показывает, во сколько раз продольная деформация деформируемого тела больше поперечной деформации, при его растяжении или сжатии. Для абсолютно хрупкого материала коэффициент Пуассона равен 0, для абсолютно несжимаемого — 0,5. Для большинства сталей этот коэффициент лежит в районе 0,3, для резины он примерно равен 0,5.

Записать формулу для определения деформаций при растяжении и сжатии.

Что характеризует модуль юнга

При продольном растяжении растягивающие силы равномерно распределены по поперечному сечению испытываемого образца, поэтому напряжение находим простым делением:

Отношение напряжения к относительному удлинению носит название модуля упругости, или модуля Юнга:

Подставляя сюда получим:

т. е. удлинение прямо пропорционально действующей силе и первоначальной длине образца и обратно пропорционально модулю Юнга для данного материала и поперечному сечению образца.

Значения модуля Юнга для различных материалов приведены в таблице на стр. 179. Для одного и того же материала величина зависит от примесей и обработки. У кристаллов и волокнистых веществ величина зависит от направления растяжения.

Когда нагрузкой вызвано удлинение бруска, можно наблюдать, что по истечении некоторого промежутка времени удлинение само, без увеличения нагрузки, возрастет на некоторую небольшую величину. Когда нагрузка устранена, то можно наблюдать, что для полного исчезновения деформации даже в пределах упругости также требуется некоторый промежуток времени. Это явление называют упругим последействием. Величина упругого последействия в металлах при тех напряжениях, с которыми приходится иметь дело в технике, ничтожна. Как правило, упругое последействие тем меньше, чем однороднее материал.

Читайте так же:
Момент затяжки динамометрическим ключом таблица

Растяжение брусков сопровождается их поперечным сжатием. Отношение поперечного сжатия к продольному удлинению называют коэффициентом Пуассона поперечный размер бруска). Таким образом, поперечное сжатие равно продольному удлинению, умноженному на коэффициент Пуассона:

Зная можно судить об изменении объема бруска при растяжении в пределах пропорциональности.

Рис. 78. Деформация сдвига.

Сдвигом называют такую деформацию, при которой все слои тела, параллельные данной плоскости, не искривляясь и не изменяясь в размерах, смешаются параллельно друг другу (рис. 78). Отрезок называют абсолютным сдвигом, угол — углом сдвига. При малом угле сдвига (если выражен в радианах)

поэтому угол О часто называют относительным сдвигом

Обычно сдвиг вызывается двумя парами сил, приложенными, как показано на рис. 78, к противоположным граням деформируемого тела.

Согласно закону Гука относительный сдвиг должен быть пропорционален касательному напряжению

Коэффициент носит название модуля сдвига. На рис. 78 отчетливо видно, что все слои деформируемого образца, параллельные укорачиваются в этом направлении, а слои, параллельные удлиняются в направлении

Сдвиг может быть вызван одновременным сжатием в направлении диагонали и растяжением в перпендикулярном к ней направлении

Можно показать, что относительное удлинение или укорочение образца в направлении действия сжимающих или растягивающих сил равно половине относительного сдвига, взятого под углом в 45° к этим силам:

Модуль Юнга коэффициент Пуассона модуле емной упругости К и модуль сдвига не являются независимыми. Они связаны друг с другом двумя уравнениями. Выведем эти уравнения.

Представим себе прямоугольный стержень (рис 79), продольно растягиваемый силами, напряжение которых равно

Относительное удлинение стержня Стержень испытывает поперечное сжатие равное продольному удли нению, умноженному на коэффициент Пуассона Приложим мысленно к боковым граням стержня, к каждой из них. по две равные и направленные в противоположные стороны силы, напряжения которых равны Ясно что эти силы как взаимно уравновешивающие друг друга, не произведут никаких деформаций и первоначальная деформация останется неизменной Разложим растягивающее стержень напряжением приложенное к концам стержня на три равные напряжения действующие по одной прямой. Теперь мы можем как угодно сгруппировать действующие на стержень силы.

Растягивающие напряжения действующие на все грани стержня вызовут всестороннее объемное растяжение — эквивалентное всестороннему линейному относительному растяжению

Растягивающие напряжения действующие на грани совместно со сжимающими напряжениями действующими на грани произведут сдвиг направлении к оси стержня; эквивалентный два раза

меньшему удлинению в направлении оси стержня и такому же поперечному сжатию

Точно так же оставшиеся растягивающие напряжения, действующие на верхнее и нижнее основания стержня, совместно со сжимающими напряжениями, действующими на две другие боковые грани произведут сдвиг, эквивалентный удлинению в направлении оси и такому же поперечному сжатию. Итак, полное продольное растяжение

Поперечное сжатие перпендикулярное к граням или

Уравнением (12) пользуются для вычисления модуля всесторонней упругости К исходя из легко определяемых опытным путем модулей и сдвига

Складывая (12) и (13), получим уравнение, служащее для вычисления коэффициента Пуассона

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector