Визначення механічних характеристик і питомої енергії руйнування термозміцненої арматури
За результатами експериментальних досліджень з використанням методу цифрової кореляції зображень досліджено зміну механічних характеристик матеріалу сталевої термозміцненої арматури по товщині стрижня. Побудовано умовні та істинні діаграми деформування суцільної арматури і виготовлених з неї стандар...
Gespeichert in:
| Datum: | 2014 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainian |
| Veröffentlicht: |
Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України
2014
|
| Schriftenreihe: | Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/136329 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Визначення механічних характеристик і питомої енергії руйнування термозміцненої арматури / К. Занг, Ю.В. Мольков, Ю.М. Собко, Я.З. Бліхарський, Р.Є. Хміль // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2014. — Т. 50, № 6. — С. 50-54. — Бібліогр.: 9 назв. — укp. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-136329 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1363292018-06-17T03:12:03Z Визначення механічних характеристик і питомої енергії руйнування термозміцненої арматури Занг, К. Мольков, Ю.В. Собко, Ю.М. Бліхарський, Я.З. Хміль, Р.Є. За результатами експериментальних досліджень з використанням методу цифрової кореляції зображень досліджено зміну механічних характеристик матеріалу сталевої термозміцненої арматури по товщині стрижня. Побудовано умовні та істинні діаграми деформування суцільної арматури і виготовлених з неї стандартних зразків. Визначено питому енергію руйнування для різних зон термозміцненої арматури. Показано необхідність врахування зміни механічних характеристик по товщині стрижня під час проектування будівельних конструкцій, а також переваги питомої енергії руйнування як інваріантної характеристики матеріалу. По результатам экспериментальных исследований с использованием метода цифровой корреляции изображений исследованы изменения механических характеристик материала стальной термоупрочненной арматуры по толщине стержня. Построены условные и истинные диаграммы деформирования сплошной арматуры и изготовленных из нее стандартных образцов. Определена удельная энергия разрушения для различных зон термоупрочненной арматуры. Показана необходимость учета изменения механических характеристик по толщине стержня при проектировании строительных конструкций, а также преимущества удельной энергии разрушения как инвариантной характеристики материала. On the base of experimental results obtained by a digital image correlation technique the change of the mechanical characteristics along the material thickness of the thermostrengthened concrete reinforcement steel bar are investigated. The engineering and true stress-strain curves for the intact reinforcement bar and for standard samples, made from it are built. The values of strain energy density for different zones of thermostrengthened reinforcement bar are calculated. The need to take into account the variation of the mechanical characteristics along the thickness of reinforcement bar when designing building structures and, also, the advantages of strain energy density as an invariant material property are shown. 2014 Article Визначення механічних характеристик і питомої енергії руйнування термозміцненої арматури / К. Занг, Ю.В. Мольков, Ю.М. Собко, Я.З. Бліхарський, Р.Є. Хміль // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2014. — Т. 50, № 6. — С. 50-54. — Бібліогр.: 9 назв. — укp. 0430-6252 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/136329 uk Фізико-хімічна механіка матеріалів Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| description |
За результатами експериментальних досліджень з використанням методу цифрової кореляції зображень досліджено зміну механічних характеристик матеріалу сталевої термозміцненої арматури по товщині стрижня. Побудовано умовні та істинні діаграми деформування суцільної арматури і виготовлених з неї стандартних зразків. Визначено питому енергію руйнування для різних зон термозміцненої арматури. Показано необхідність врахування зміни механічних характеристик по товщині стрижня під час проектування будівельних конструкцій, а також переваги питомої енергії руйнування як інваріантної характеристики матеріалу. |
| format |
Article |
| author |
Занг, К. Мольков, Ю.В. Собко, Ю.М. Бліхарський, Я.З. Хміль, Р.Є. |
| spellingShingle |
Занг, К. Мольков, Ю.В. Собко, Ю.М. Бліхарський, Я.З. Хміль, Р.Є. Визначення механічних характеристик і питомої енергії руйнування термозміцненої арматури Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| author_facet |
Занг, К. Мольков, Ю.В. Собко, Ю.М. Бліхарський, Я.З. Хміль, Р.Є. |
| author_sort |
Занг, К. |
| title |
Визначення механічних характеристик і питомої енергії руйнування термозміцненої арматури |
| title_short |
Визначення механічних характеристик і питомої енергії руйнування термозміцненої арматури |
| title_full |
Визначення механічних характеристик і питомої енергії руйнування термозміцненої арматури |
| title_fullStr |
Визначення механічних характеристик і питомої енергії руйнування термозміцненої арматури |
| title_full_unstemmed |
Визначення механічних характеристик і питомої енергії руйнування термозміцненої арматури |
| title_sort |
визначення механічних характеристик і питомої енергії руйнування термозміцненої арматури |
| publisher |
Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України |
| publishDate |
2014 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/136329 |
| citation_txt |
Визначення механічних характеристик і питомої енергії руйнування термозміцненої арматури / К. Занг, Ю.В. Мольков, Ю.М. Собко, Я.З. Бліхарський, Р.Є. Хміль // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2014. — Т. 50, № 6. — С. 50-54. — Бібліогр.: 9 назв. — укp. |
| series |
Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| work_keys_str_mv |
AT zangk viznačennâmehaníčnihharakteristikípitomoíenergíírujnuvannâtermozmícnenoíarmaturi AT molʹkovûv viznačennâmehaníčnihharakteristikípitomoíenergíírujnuvannâtermozmícnenoíarmaturi AT sobkoûm viznačennâmehaníčnihharakteristikípitomoíenergíírujnuvannâtermozmícnenoíarmaturi AT blíharsʹkijâz viznačennâmehaníčnihharakteristikípitomoíenergíírujnuvannâtermozmícnenoíarmaturi AT hmílʹrê viznačennâmehaníčnihharakteristikípitomoíenergíírujnuvannâtermozmícnenoíarmaturi |
| first_indexed |
2025-07-10T01:08:06Z |
| last_indexed |
2025-07-10T01:08:06Z |
| _version_ |
1837220168971845632 |
| fulltext |
50
Ô³çèêî-õ³ì³÷íà ìåõàí³êà ìàòåð³àë³â. – 2014. – ¹ 6. – Physicochemical Mechanics of Materials
ВИЗНАЧЕННЯ МЕХАНІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК І ПИТОМОЇ
ЕНЕРГІЇ РУЙНУВАННЯ ТЕРМОЗМІЦНЕНОЇ АРМАТУРИ
К. ЗАНГ 1, Ю. В. МОЛЬКОВ 2, Ю. М. СОБКО 3,
Я. З. БЛІХАРСЬКИЙ 3, Р. Є. ХМІЛЬ 3
1 Університет Янгцзе, Китай;
2 Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України, Львів;
3 Національний університет “Львівська політехніка”
За результатами експериментальних досліджень з використанням методу цифрової
кореляції зображень досліджено зміну механічних характеристик матеріалу сталевої
термозміцненої арматури по товщині стрижня. Побудовано умовні та істинні діагра-
ми деформування суцільної арматури і виготовлених з неї стандартних зразків. Ви-
значено питому енергію руйнування для різних зон термозміцненої арматури. Пока-
зано необхідність врахування зміни механічних характеристик по товщині стрижня
під час проектування будівельних конструкцій, а також переваги питомої енергії
руйнування як інваріантної характеристики матеріалу.
Ключові слова: арматура, сталь, механічні характеристики, цифрова кореляція
зображень, істинна діаграма руйнування, енергія руйнування.
Під час проектування залізобетонних елементів конструкцій їхню несучу
здатність визначають з урахуванням фізико-механічних характеристик арматурних
стрижнів. Тут важливим є використання науково обґрунтованих методик для
достовірної оцінки несучої здатності будівельних елементів конструкцій, зокрема
балок, плит перекриття тощо, особливо за їх армування термозміцненою армату-
рою. Характерним для неї є зміна механічних характеристик по товщині стрижня.
Для визначення механічних характеристик арматурних стрижнів використо-
вують циліндричні зразки, які випробовують згідно зі стандартними методиками
[1–3]. Під час їх виготовлення з арматури знімають зовнішній зміцнений шар мета-
лу, а отже, встановлюють механічні характеристики серцевини стрижня. Також ви-
пробовують суцільні арматурні стрижні, а характеристики їх визначають на осно-
ві побудованих діаграм руйнування в координатах “умовне напруження –віднос-
не видовження δ”, не встановлюючи при цьому істинних напружень та деформацій.
Нижче на підставі випробувань зразків різного діаметра, виготовлених шля-
хом проточування термозміцнених арматурних стрижнів, визначили механічні ха-
рактеристики різних зон матеріалу арматури. Для побудови діаграм деформування
в умовних та істинних координатах використали сучасний високоточний метод ви-
мірювання переміщень і деформацій – цифрову кореляцію зображень (ЦКЗ) [4, 5].
Мета роботи – дослідити деформування і руйнування термозміцненої арма-
тури та оцінити зміну її механічних характеристик по товщині стрижня для об-
ґрунтованого їх вибору під час розрахунку елементів залізобетонних конструкцій.
Методика досліджень. Використовували три типи зразків: тип І – необроб-
лений арматурний стрижень 12 mm, загальна довжина якого 200 mm, а довжи-
на робочої частини 120 mm; тип ІІ і ІІІ – циліндричні стандартні зразки (рис. 1)
10 і 8 mm, робоча довжина 100 і 80 mm, відповідно, виготовлені із того ж
арматурного стрижня.
Контактна особа: Ю. В. МОЛЬКОВ, e-mail: dep-12@ipm.lviv.ua
51
Рис. 1. Стандартний циліндричний зразок
для визначення механічних
характеристик.
Fig. 1. Standard specimen
for mechanical testing.
Зразки розтягували на розривній машині до руйнування за швидкості пере-
міщення рухомої траверси 2 mm/mіn. Реєстрували зусилля навантаження вбудо-
ваним динамометром машини FPZ-100, а видовження за допомогою тензомет-
ричного екстензометра. Використовуючи аналого-цифровий перетворювач
(АЦП), записували сигнали від динамометра та екстензометра і реєстрували за
допомогою персонального комп’ютера.
Паралельно з цим промисловою цифровою камерою Toupcam UCMOS
10000KPA, яка жорстко закріплена до нерухомої траверси машини FPZ-100, реєс-
трували зображення поверхні зразка під час його деформування. Зображення ви-
користовували для обробки методом ЦКЗ. Їх роздільна здатність 10 МР (3584×
×2748 pixels), формат *bmp. Під час навантаження серійно фотографували ділян-
ку поверхні зразка, причому перший кадр відповідав моменту початку наванта-
ження, а частота зйомки (1 fps) рівна частоті реєстрації зусилля навантаження за
допомогою АЦП. Така частота зйомки дає можливість з достатньою точністю
встановити для кожного зображення зусилля, прикладене до зразка у момент йо-
го реєстрації, а також є достатньою для фіксування зображення у момент, набли-
жений до руйнування зразка. Під час випробувань зразків отримали масив зобра-
жень (150…200 шт. для кожного зразка), обробивши які методом ЦКЗ, встанови-
ли розподіл переміщень і деформацій на кожному етапі навантаження (рис. 2).
Рис. 2. Розподіл деформації на поверхні арматурного стрижня (а) і циліндричного
зразка (b) за критичного навантаження, отриманий методом ЦКЗ.
Fig. 2. Strain distribution on the surface of reinforcement bar (a) and cylindrical specimen (b)
under critical loading, obtained using a digital correlation method (DIC) method.
Результати та їх обговорення. За зусиллям навантаження Р та видовжен-
ням робочої частини зразка l обчислювали умовні напруження = Р/F0 (де F0 –
початкова площа поперечного перерізу арматурного стрижня або циліндричного
зразка) і відносне видовження δ = Δl/l0 (де l0 – початкова робоча довжина зразка)
та будували умовну діаграму деформування δ [1]. Використовуючи опцію
програмного забезпечення методу ЦКЗ “віртуальний екстензометр”, реєстрували
відносне видовження зразка так як і тензометричним екстензометром. За резуль-
татами вимірювань “віртуальним екстензометром” будували діаграму δ
(рис. 3а), яка практично збігається з побудованою за стандартною методикою [6].
52
Рис. 3. Умовні (а) та істинні (b) діаграми деформування матеріалу арматури: 1 – необроб-
лений стрижень (тип І); 2 – зразок 10 mm (тип ІІ); 3 – зразок 8 mm (тип ІІІ).
Fig. 3. Engineering (а) and true (b) stress-strain curves of reinforcement steel: 1 – intact
reinforcement bar (type I); 2 – specimen 10 mm (type II); 3 – specimen 8 mm (type III).
Побудова істинної діаграми руйнування [3] передбачає безперервну реєстра-
цію зміни площі поперечного перерізу зразка в місці утворення шийки і визна-
чення біжучого відносного звуження ψі:
0
0
i
i
F F
F
, (1)
де F0 – початкова площа поперечного перерізу зразка; Fi – її біжуче значення. Ве-
личину i визначали шляхом вимірювання зміни діаметра зразка у шийці під час
навантаження, використовуючи при цьому ЦКЗ. За величиною і знаходили іс-
тинну деформацію:
1
ln
1i
i
e
. (2)
Істинні напруження Sі в шийці зразка визначали за формулою
Si = Pi/ Fi (3)
та будували діаграму “істинні напруження S–істинна деформація е” [6].
Паралельно під час випробування зразків істинну деформацію е визначали
безпосереднім вимірюванням переміщень у місці утворення шийки. Як показано
раніше [6, 7], локальна деформація рівна істинній, обчисленій за формулою (2),
за умови її визначення з використанням оптимальної бази вимірювання перемі-
щень (для сталі вона становить 10…20 m). За результатами вимірювань буду-
вали істинну діаграму, яка практично збігається із класичним варіантом побудо-
ви. Побудовані (рис. 3b) істинні діаграми для суцільного арматурного стрижня і
зразків 10 і 8 mm. Визначені під час випробувань усереднені механічні харак-
теристики подано у табл. 1.
Таблиця 1. Механічні характеристики матеріалу арматури
Тип зразка 0,2, МРа В, МРа δ, % S, МРа е, %
І 570 650 14,4 920 95
ІІ 482 550 15,0 770 119
ІІІ 395 450 16,2 600 146
Аналіз результатів досліджень показує, що границя міцності В для арматур-
ного стрижня є більша на 15 та 30%, ніж для зразків типу ІІ і ІІІ, відповідно. Ра-
53
зом з тим відносне видовження δ змінюється в межах 11%. Істинні напруження
руйнування S для арматурного стрижня є більші на 15 і 34% порівняно зі зразка-
ми типу ІІ і ІІІ, відповідно. Величина S є на 30% більшою за умовну границю міц-
ності В для всіх типів зразків. Істинна критична деформація e є у 7–9 разів біль-
ша, ніж відносне видовження δ і змінюється для різних типів зразків у межах 35%.
Таким чином, результати визначення механічних характеристик зразків різ-
них типів, виготовлених із єдиного арматурного стрижня, суттєво відрізняються
між собою. Особливо це проявляється у деформаційних характеристиках, які
встановлені на основі істинних діаграм деформування. Загалом, із підвищенням
характеристик міцності В, S, знижуються деформаційні характеристики δ і е,
тобто погіршується опірність матеріалу крихкому руйнуванню. Найоб’єктивнішу
інформацію про здатність пластичного матеріалу чинити опір руйнуванню дає
енергетичний підхід, який використовує питому енергію руйнування – інваріант-
ну характеристику міцності матеріалу, що найточніше характеризує пружно-
пластичне руйнування [8, 9]. Побудувавши істинні діаграми деформування, мож-
на визначити питому енергію деформування для всіх типів зразків за формулою
0
( )
e
W S e de . (4)
Графічно енергія деформування W
відповідає площі під істинною діаграмою
Se. Приймаємо, що за досягнення енер-
гією деформування критичного значення,
тобто енергії руйнування, матеріал руй-
нується
W(S, e) = WC . (5)
Вважаємо, що енергію руйнування
матеріалу можна подати як суму складо-
вих енергії деформування
W = Wx + Wy + Wz = Wc , (6)
де Wy, Wx, Wz – енергія деформування у
напрямках осей координат Ох, Оу, Оz.
Отже, для визначення складових
енергії Wy, Wz і Wx необхідно побудувати
діаграми деформування у трьох головних
напрямках. Деформацію еу визначаємо
безпосередньо із експерименту за розтягу
циліндричних зразків методом ЦКЗ, а ех і
еz – за переміщеннями вздовж осей Ох і Оz
у шийці під час деформування зразка.
За деформаціями ех і еz, беручи до
уваги, що для циліндричного зразка ех = еz, із діаграми Sуey визначаємо істинні
напруження Sx і Sz, припускаючи, що залежність деформацій від напружень од-
накова для деформування у всіх трьох напрямках, оскільки матеріал ізотропний.
Діаграми деформування для трьох типів зразків подані на рис. 4. Індекси І–ІІІ
для складових енергії Wx, Wy, Wz відповідають типу зразка. Усереднені значення,
отримані під час випробувань трьох зразків кожного типу, наведені у табл. 2.
Як бачимо, енергія руйнування, визначена для різних зон арматурного тер-
мозміцненого стрижня, змінюється не більш як на 10%. Аналіз результатів дослі-
джень вказує на те, що під час розрахунку несучої здатності залізобетонних
елементів конструкцій необхідно враховувати зміну як міцнісних, так і деформа-
ційних характеристик залежно від типу зразка. Разом з тим енергія руйнування,
Рис. 4. Визначення питомої енергії
руйнування із істинних діаграм
деформування арматури:
1 – необроблений стрижень;
2 – зразок 10 mm; 3 – зразок 8 mm.
Fig. 4. Determination of strain energy
density from true stress-strain curves
of reinforcement steel: 1 – intact
reinforcement bar; 2 – specimen 10 mm;
3 – specimen 8 mm.
54
визначена на основі істинних діаграм, є інваріантною характеристикою матеріа-
лу, яку необхідно використовувати для таких розрахунків.
Таблиця 2. Істинні деформації, напруження та питома енергія
деформування матеріалу арматури
е S, МРа W, MJ/m3
Тип
зразка еус ехс еzс Sус Sxс Szс Wус Wxс Wzс Wс
І 0,95 0,16 0,16 920 710 710 748,9 111,7 111,7 972,3
ІІ 1,19 0,25 0,25 770 615 615 763,4 125,5 125,5 1014,4
ІІІ 1,46 0,32 0,32 600 530 530 781,9 150,6 150,6 1083,1
ВИСНОВКИ
Встановлено, що міцнісні характеристики В для зразків різного діаметра,
виготовлених із термозміцненої арматури, змінюються в межах 30%, а деформа-
ційні – 11%. Водночас істинні напруження S змінюються в межах 34%, а істинна
деформація е – в межах 35%. Питома енергія руйнування для трьох типів зразків
змінюється в межах 10%.
РЕЗЮМЕ. По результатам экспериментальных исследований с использованием метода
цифровой корреляции изображений исследованы изменения механических характеристик
материала стальной термоупрочненной арматуры по толщине стержня. Построены услов-
ные и истинные диаграммы деформирования сплошной арматуры и изготовленных из нее
стандартных образцов. Определена удельная энергия разрушения для различных зон тер-
моупрочненной арматуры. Показана необходимость учета изменения механических харак-
теристик по толщине стержня при проектировании строительных конструкций, а также
преимущества удельной энергии разрушения как инвариантной характеристики материала.
SUMMARY. On the base of experimental results obtained by a digital image correlation
technique the change of the mechanical characteristics along the material thickness of the ther-
mostrengthened concrete reinforcement steel bar are investigated. The engineering and true
stress-strain curves for the intact reinforcement bar and for standard samples, made from it are
built. The values of strain energy density for different zones of thermostrengthened reinforce-
ment bar are calculated. The need to take into account the variation of the mechanical charac-
teristics along the thickness of reinforcement bar when designing building structures and, also,
the advantages of strain energy density as an invariant material property are shown.
1. ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение. – М.: Изд-во стандартов,
1985. – 40 с.
2. Писаренко Г. С., Стрижало В. А. Экспериментальные методы в механике деформи-
руемого твердого тела. – К.: Наук. думка, 1986. – 264 с.
3. Фридман Я. Б. Механические свойства металлов. В 2-х ч.: Ч. І. Деформация и разру-
шение. – М.: Машиностроение, 1974. – 472 с.
4. Chu T., Ranson W., and Sutton M. Applications of digital-image-correlation techniques to
experimental mechanics // Experimental Mech. – 1985. – 25(3). – P. 232–244.
5. Two-dimensional digital image correlation for in-plane displacement and strain measure-
ment: a review / B. Pan, K. M. Qian, H. M. Xie, and A. Asundi // Measurement Scie. &
Technol. – 2009. – 20(6). – Р. 062001–062007.
6. Мольков Ю. В. Застосування методу цифрової кореляції зображень до побудови діаг-
рам деформування // Фіз.-хім. механіка матеріалів. – 2012. – 48, № 6. – С. 121–125.
7. Визначення локальної деформації біля концентраторів напружень методом цифрової
кореляції зображень / Я. Л. Іваницький, Ю. В. Мольков, П. С. Кунь та ін. // Фіз.-хім.
механіка матеріалів. – 2014. – № 4. – С. 18–24.
8. Gillemot L. F. Сriterion of crack initiation and spreading // Engng. Fract. Mech. – 1976. – 8.
– Р. 239–253.
9. Schindler H. J. Strain energy density as the link between global and local approach to frac-
ture / Eds.: K. Ravi-Chandar et al. // Proc. 10th Int. Conf. on Fract. – Honolulu: Pergamon,
2001. – Reference ID: ICF 100494OR.
Одержано 10.07.2014
|