Модуль деформации бетона

Модуль упругости бетона (Еб): способы определения значения

Порядок определения  Еб может несколько отличаться. Каждый способ имеет свои отличительные особенности. Стоит ознакомиться с нюансами каждого метода, чтобы не допустить ошибок в момент определения значения.

Механическое испытание

При проведении механических испытаний образец подвергается разрушению. Исследование производится с учётом требований ГОСТ 24452, устанавливающих требования к используемым образцам и порядку проведения исследований.

ФОТО: nilstroi.ruДля проведения испытания требуется специальное оборудование

Материалы и инструменты

Для проведения исследований используются образцы, имеющие форму круга либо квадрата. Соотношение высоты и поперечного сечения принимают равным четырём. Образцы высверливаются, выбуриваются либо выпиливаются из готового изделия. До начала испытаний их держат под влажной тканью.

Для получения искомого значения образцы помещают на пресс, оснащённый специальными базами, позволяющими измерить деформацию. Приборы располагаются под разными углами к грани образца. Для фиксации индикаторов используются стальные рамки. В некоторых случаях индикаторы приклеиваются к опорным вставкам.

ФОТО: beton-house.comОбразец помещается под пресс

Схема испытания образцов

Испытания выполняются в следующей последовательности:

1. Образцы подготавливаются и с индикаторами помещаются под пресс, добиваясь совмещения осей образца и центра плиты. Назначают разрушающую нагрузку в т/м2. Величина зависит от марочной прочности бетона.
2. Производят ступенчатое увеличение нагрузки с шагом 10 % от разрушающей и интервалом 4-5 минут.
3. Доводят значение до 40-45 % от максимального. При отсутствии дополнительных требований приборы снимают, а дальнейшее нагружение выполняют с постоянной скоростью.
4. Результаты для каждого образца обрабатывают, когда нагрузка составляет 30 % от разрушающей. Данные отображаются в журнале испытаний.

По проведенным исследованиям определяют начальный модуль упругости Еб. Нормативные значения для каждого класса содержатся в таблицах со строительными нормами и маркировке изделия. Для В15, В20, В25, В30, полученного в условиях естественного твердения, коэффициент равен 23, 27, 30, 32,5 МПа×10-3 соответственно, в условиях термической обработки – 25, 24,5, 27, 29.

ФОТО: studfile.netНагрузка повышается ступенчато

Неразрушающий ультразвуковой способ

Механический способ предполагает выемку образца из уже готовой конструкции. Это не всегда удобно и сопряжено с рядом трудностей. Ультразвуковой способ позволяет обойтись без локального разрушения. В условиях повышенной влажности погрешность составляет 15 -75 % из-за более высокой скорости распространения ультразвуковых волн в водной среде. Существует метод, позволяющий найти значение при различной влажности материала. Испытания проводятся на образцах, имеющих различную водонасыщенность.

Для нахождения нормативных и расчётных значений используют корректирующие коэффициенты, учитывая соответствующие значения. Методика приведена в СП 63.13330.2012.

Watch this video on YouTube

Характеристики материала

Информация о характеристиках материала необходима при строительстве объектов. Недостаточная прочность может привести к образованию трещин и досрочному выходу сооружения из строя. Прочностные характеристики материала определяются в испытаниях по образцам в лабораторных условиях. Способы исследования бывают разрушающие и неразрушающие.

Для разрушения используются образцы, изготовленные из пробы испытуемой бетонной смеси или полученные бурением поверхности бетонной конструкции. Образцы сжимаются прессом. Нагрузка увеличивается постепенно до того момента, пока образец полностью не разрушится. По величине критической нагрузки и рассчитываются значения прочности материала. Для этого величину нагрузки делят на площадь поперечного сечения испытуемого объекта и умножают на масштабный коэффициент.

Стандарт определения и таблица модулей упругости бетона

Выбор стройматериала является важнейшей задачей строителя перед началом выполнения работ. Модуль упругости бетона — один из главных критериев, влияющих на эксплуатационные характеристики

Параметр определяет возможность стеснения и расширения материала, зависит от многих факторов, которые важно учитывать

Что за величина?

Модуль упругости бетона — это возможность конструкции противостоять изменениям под воздействиями внешних факторов.

Это важный критерий выбора марки материала для определенной работы, так как затвердевший материал в процессе эксплуатации сжимается и растягивается.

Поэтому на этапе проектирования нужно правильно рассчитать допустимые значения для той или иной конструкции. Для расчетов пользуются таблицами определения модуля упругости, что представлены в нормативах для строительных работ.

Разновидности бетона и их показатель упругости

Бетонный камень в окончательном виде — твердый материал, что под влиянием внешней среды способен деформироваться. При постоянных механических нагрузках, даже модуль упругости железобетона может быть недостаточно высоким. Для определения вида прочности учитывается 2 критерия — растяжение и сжатие, что влияют на сопротивление нагрузкам.

Различают следующие виды материала:

Материал может производиться в нескольких разновидностях.

• тяжелые;
• легкие;
• мелкозернистые;
• поризованные;
• автоклавного твердения.

Таблица, содержащая классы и соответствующие модули упругости

Классификация в таблице производится согласно СП 52—101—2003:

Класс бетона	Модуль упругости
19,0	В10
24,0	В15
27,5	В20
30,0	В25
32,5	В30
34,5	В35
36,0	В40
37,0	В45
38,0	В50
39,0	В55
39,5	В60

От чего зависит величина?

На величину данного показателя значительно влияет наполнитель в материала.

Упругость раствора зависит от множества факторов

Первое, на что обращают внимание — наполнитель. Коэффициент напрямую связан с упругостью раствора

Так, высокими показателями являются тяжелые бетоны, наполнителями в которых являются гравий и щебень

Допустимые нагрузки на постройки из такого материала самые высокие, поэтому важно выбирать правильные заполнители

Учитывают не только интенсивность нагрузок, но и частоту.

Возраст и время укладки материала играют немаловажную роль в показателях модуля упругости. Крепость материала возрастает на протяжении 50 лет с момента заливки, вне зависимости от внешних температур (до 230 ⁰C).

Кроме того, характеристики завися от процесса затвердевания (автоклавный, естественный).

Чтобы узнать продолжительность предполагаемых нагрузок, нужно начальный показатель перемножать с показателем: 0,7 для поризованных бетонов, 0,85 — для тяжелых легких и мелкозернистых.

Возраст залитого материала находится в прямопропорциональной зависимости с данным показателем.

Классы бетонного раствора в частной стройке варьируют в пределах В7,5—30 (марки М100—400), но таких прочностных и других характеристик хватает вне зависимости от требований и сложностей конструкций.

Показатели модуля увеличивает арматура, так как характеристики арматуры повышают показатели общей конструкции. Методика укладки арматуры в бетон определяется ГОСТом 24452—80.

Посмотреть «ГОСТ 24452-80» или cкачать в PDF (350 KB)

Как определить?

СП 52 101 2003 — стандарт определения параметров применения бетона.

Здесь указаны значения всех необходимых коэффициентов для расчета параметров, а подтверждение проводится путем эксперимента на изготовленных образцах.

Суть испытания заключается в постепенной нагрузке на образцы (цилиндры или призмы из бетонной смеси) путем осевого сжимающего нагружения до разрушения. Параллельно измеряется степень деформации.

Посмотреть «СП 52-101-2003» или cкачать в PDF (1007.4 KB)

Результаты можно обозначить следующим образом:

• Показатель соответствует расчетам, образец поддался пластической деформации без растрескивания.
• Предварительные подсчеты неверные: при предполагаемом нагружении образец подвергается сильным разрушениям.

Расчетным способом определяют запас прочности не только обычных зданий, но и арочных сооружений, перекрытий, мостов и дорог. Модуль упругости асфальтобетона при использовании — проблемная задача проектирования, так как подход, разрешающий провести точные расчеты еще не выведен. Не удается определить взаимосвязь между статическим и динамическим модулями в процессе использования дорог.

Обработка зимнего бетона

Если после набора полной прочности зимний бетон и монолиты из неподготовленного бетона нормальной влажности обрабатываются вполне традиционно, то перфорация и устройство проемов в монолите до набора им прочности имеет свою специфику.

Проще говоря, не набравший марочную прочность и замерзший бетон не стоит дробить отбойным молотком и перфоратором. В этом случае возможно появление трещин.

До набора полной прочности бетон легко трескается.

Оптимальный способ устройства проемов — формирование опалубки для них еще на стадии заливки монолита. Среди прочего, в этом случае возможна полноценная анкеровка краев арматуры по краям проема. Там, где это невозможно и проем придется вырезать по месту, применяется рифленая арматура: рифление на ее поверхности само по себе служит анкером для прутка.

На фото — простейший способ устройства продухов.

Для собственно обработки там, где без нее не обойтись, предпочтителен алмазный инструмент. Алмазное бурение отверстий в бетоне не требует использования ударного режима; как следствие — меньше вероятность трещин и сколов. Резка железобетона алмазными кругами оставляет края реза идеально ровными и, что очень удобно, не требует смены режущего круга при резке армирования.

МЕТОДЫ НАСЫЩЕНИЯ ОБРАЗЦОВ ВОДОЙ И ЖИДКИМИ НЕФТЕПРОДУКТАМИ

. Насыщение производят методом капиллярного насыщения.

Степень насыщения контролируют по увеличению массы образца путем периодического взвешивания. Образцы выдерживают в ваннах до полного их насыщения жидкостью. За полное насыщение принимают прекращение увеличения массы образца при двух последующих взвешиваниях.

. Насыщение производят в ваннах, выполненных из материалов химически стойких к воде и нефтепродуктам и другим жидкостям.

При насыщении тяжелыми нефтепродуктами (минеральные масла, мазуты и т.п.) ванны должны обеспечивать размещение в них образцов в горизонтальном положении.

Высота ванны должна быть не менее чем на 20 мм выше верхней поверхности уложенных в них образцов.

Ванна насыщения легкими нефтепродуктами (бензин, керосин и т.п.) должна иметь герметически закрывающиеся крышки. Рекомендуется в этом случае в качестве ванн использовать фляги вместимостью 40 л с резиновыми прокладками на крышках.

. Перед насыщением образцы взвешивают, определяют их массу с точностью не менее 0,5 г.

. Для насыщения тяжелыми нефтепродуктами образцы помещают в ванны в горизонтальном положении на расстоянии не ближе 20 мм друг от друга и заливают соответствующей жидкостью так, чтобы ее уровень в ванне был от 5 до 15 мм. Далее жидкость по мере насыщения образца периодически доливают. При этом ее уровень должен находиться на расстоянии от 9 до 15 мм от границы между пропитанным и непропитанным бетоном. Последний раз жидкость доливают так, чтобы ее уровень был на 3 — 5 мм ниже верхней грани образца.

. При насыщении легкими нефтепродуктами и водой образцы помещают в ванны и заливают жидкость так, чтобы ее уровень был не менее чем на 10 мм выше верхней грани образцов. Ванны должны быть герметично закрыты крышками.

. Образцы взвешивают при насыщении их водой или легкими нефтепродуктами один раз в сутки, а при насыщении тяжелыми нефтепродуктами — один раз в 7 сут.

5. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

5.1. Призменную прочность R_првычисляют для каждого образца по формуле

()

где Р_р — разрушающая нагрузка, измеренная по шкале силоизмерителя пресса (машины);

F — среднее значение площади поперечного сечения образца, определяемое по его линейным размерам по ГОСТ 10180-78.

5.2. Модуль упругости Е_sвычисляют для каждого образца при уровне нагрузки, составляющей 30 % от разрушающей, по формуле

()

где s₁ = P₁F— приращение напряжения от условного нуля до уровня внешней нагрузки, равной 30 % от разрушающей;

P₁— соответствующее приращение внешней нагрузки;

ε_1у — приращение упругомгновенной относительной продольной деформации образца, соответствующее уровню нагрузки P₁ = 0,3P_p и измеренное в начале каждой ступени ее приложения, которое определяют по п. .

В пределах ступени нагружения деформации определяют по линейной интерполяции.

5.3. Коэффициент Пуассона бетона µ вычисляют для каждого образца при уровне нагрузки, составляющей 30 % разрушающей, по формуле

()

где ε_2у — приращение упругомгновенной относительной поперечной деформации образца, соответствующее уровню нагрузки P₁ = 0,3P_p и измеренное в начале каждой ступени ее приложения, которое определяют по п. .

5.4 Значения ε_1у и ε_2у определяют по формулам:

ε_1у = ε₁ — ∑ε_1п; ()

ε_2у = ε₂ — ∑ε_2п, ()

где ε₁ и ε₂ — приращения полных относительных продольных и поперечных деформаций образца, соответствующие уровню нагрузки Р₁= 0,3Р_р и измеренные в конце ступени ее приложения;

∑ε_1п и ∑ε_2п — приращения относительных продольных и поперечных деформаций быстронатекающей ползучести, полученные при выдержках нагрузки на ступенях нагружения до уровня нагрузки Р₁ = 0,3Р_р.

Приращения относительных продольных и поперечных деформаций вычисляют как среднее арифметическое показаний приборов по четырем граням призмы или трем — четырем образующим цилиндра.

5.5. Значения относительных деформаций ε₁ и ε₂ определяют по формулам:

ε₁ = Dl₁l₁; ()

ε₂ = Dl₂l₂, ()

где Dl₁, Dl₂ — абсолютные приращения продольной и поперечной деформаций образца, вызванные соответствующим приращением напряжений;

l₁, l₂ — фиксированные базы измерения продольной и поперечной деформации образца.

При использовании тензорезисторов и других аналогичных приборов, шкалы которых проградуированы в относительных единицах деформаций, величины ε₁и ε₂ определяют непосредственно по шкалам измерительных приборов.

5.6 При определении средних значений призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона в серии образцов предварительно отбраковывают анормальные (сильно отклоняющиеся) результаты испытаний.

Для отбраковки анормальных результатов в серии из трех образцов сравнивают значения y_iпризменной прочности, модуля упругости или коэффициента Пуассона в серии, показавших наибольшие и наименьшие значения этих величин со средними их значениями в серии , определенными по формуле (), и проверяют в соответствии с требованием ГОСТ 10180-78 выполнение условий, приведенных в формулах () и () указанного стандарта. Если эти требования не выполняются, то поступают в соответствии с требованием ГОСТ 10180-78; если условия выполняются, то средние значения призменной прочности бетона, его модуля упругости и коэффициента Пуассона в серии образцов определяют по формуле

()

где — среднее значение указанных величин в серии образцов данного размера;

y_i — значение указанных величин по отдельным образцам;

п — число образцов в серии.

5.7. В журнале результатов испытаний должны быть предусмотрены графы в соответствии с требованиями ГОСТ 10180-78, за исключением значения масштабного коэффициента, поскольку этот коэффициент при определении призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона не требуется.

В журнале результатов испытаний должны быть предусмотрены, кроме того, дополнительные графы:

а) состав бетона, жесткость или подвижность смеси, вид, завод-изготовитель и активность вяжущих, вид заполнителей и добавок;

б) модуль упругости бетона отдельных образцов, МПа;

в) средний модуль упругости бетона в серии образцов, МПа;

г) значение коэффициента Пуассона отдельных образцов;

д) среднее значение коэффициента Пуассона в серии образцов;

е) база измерения деформаций, мм;

ж) тип тензометра, примененный для измерения линейных деформаций образца (цена его деления);

з) температура нагрева;

и) температура и относительная влажность воздуха помещения, в котором производились испытания.

В графе «Примечания» должны быть указаны дефекты образцов, особый характер их разрушения, отбраковка результатов испытаний, ее причины и т.д. в соответствии с требованиями ГОСТ 10180-78.

5.8. Применяемые в стандарте основные термины, обозначения и пояснения приведены в приложении .

Расчет модуля упругости в лабораторных условиях

Когда речь идет о модуле упругости, принимают во внимание оба его варианта – динамический и статический. У первого значение выше и определяется в ходе вибрации образца

Статический модуль, помимо основной информации, предоставляет данные о такой характеристике, как ползучесть бетона – динамика образования деформаций при постоянной нагрузке.

При расчетах учитывают тождество модулей упругости материала как на растяжение, так и на сжатие. Замечено, что если напряжение составляет 0,2 и более максимальной прочности бетона, происходят остаточные деформации. Это приводит к тому, что при сцеплении раствора и наполнителей возникают микротрещины, а это становится причиной крошения и в конечном итоге разрушения.

Во время эксперимента образец подвергают непрерывной нагрузке, имеющей тенденцию к возрастанию, до полного разрушения. Для этого используют особое оборудование – нагружающие установки. В диаграмму вносят данные, показывающие влияние нагрузок на степень деформаций. На завершающем этапе производится расчет среднего модуля упругости всех образцов.

• Строитель с 20-летним стажем
• Эксперт

В 1998 году окончил СПбГПУ, учился на кафедре гражданского строительства и прикладной экологии.

Занимается разработкой и внедрением мероприятий по предупреждению выпуска низкокачественной продукции.

Разрабатывает предложения по совершенствованию производства бетона и строительных растворов.

8.5.3. Модуль упругости и деформации бетона при

КРАТКОВРЕМЕННОМ НАГРУЖЕНИИ

Деформации бетона при приложении нагрузки зависят от его состава, свойств составляющих материалов и вида напряженного состояния. Диаграмма сжатия бетона имеет криволинейное очертание, причем кривизна увеличивается с ростом напряжений (рис. 6.4).

С увеличением прочности бетона уменьшается его деформация и кривизна диаграммы . Низкопрочные бетоны имеют даже нисходящую ветвь диаграммы сжатия. Однако на этом участке сплошность материала уже нарушена, в нем возникают микроскопические трещины, отслоение отдельных частей. В железобетонных конструкциях арматура связывает отдельные части бетона в единое целое и для частных случаев расчета конструкций необходимо учитывать нисходящую ветвь диаграммы сжатия бетона.

На характер нарастания деформаций под действием нагрузки влияют также скорость ее приложения, размеры образца, температурно-влажностное состояние бетона и окружающей среды и другие факторы. Деформация бетона включает упругую, пластическуюи псевдопластическуючасти (рис. 6.4):

Соотношение между ними зависит от состава бетона, использованных материалов и других факторов. Величина пластической и псевдопластической частей возрастает с увеличением длительности нагрузки, понижением прочности бетона, увеличением водоцементного отношения, при применении слабых заполнителей.

О деформативных свойствах бетона при приложении нагрузки судят по его модулю деформации, т. е. по отношению напряжения к относительной реформации, вызываемой его действием. Чем выше модуль деформации, тем менее деформативен материал. Поскольку диаграмма сжатия бетона криволинейна, то его модуль деформации зависит от значений относительных напряжений, постепенно понижаясь с их увеличением (рис.6.5), причем тем больше, чем ниже марка бетона. Обычно определяют либо начальный модуль деформации бетона Ео, когда преобладают упругие деформации, либо модуль деформации при определенном значении, например при= 0,5.

На практике используют эмпирические зависимости модуля деформации от различных факторов. Для расчета железобетонных конструкций важна зависимость модуля деформации при можно определить по формуле:

,

где R– прочность бетона.

В действительности модуль деформации может заметно отличаться от средних значений. В табл. 6.2 приведены значения модуля деформации при сжатии некоторых видов бетона, показывающие большое влияние на него технологических факторов.

Важное значение для расчета конструкций и оценки их поведения под нагрузкой имеют величины предельных деформаций, при которых начинается разрушение бетона, По опытным данным, предельная сжимаемость бетона изменяется в пределах 0.0015…0,003, увеличиваясь при повышении прочности бетона. Предельную сжимаемость бетона можно также увеличивать, применяя более Деформативные компоненты и обеспечивая достаточно надежное сцепление между ними

Предельную сжимаемость бетона можно также увеличивать, применяя более Деформативные компоненты и обеспечивая достаточно надежное сцепление между ними.

Предельная растяжимость бетона составляет 0,0001…0,0015, т.е. примерно в 15…20 раз меньше его предельной сжимаемости.

Предельная растяжимость повышается при введении в бетон пластифицирующих добавок, использовании белитовых цементов, уменьшении крупности заполнителей или при применении заполнителей с высокими деформативными свойствами и сцеплением с цементным камнем.

Детальное определение

Приложим к однородному стержню растягивающие его силы. В результате воздействия таких сил стержень в общем случае окажется деформирован как в продольном, так и в поперечном направлениях.

Пусть l и d длина и поперечный размер образца до деформации, а l ′ > и d ′ > — длина и поперечный размер образца после деформации. Тогда продольным удлинением

называют величину, равную ( l ′ − l ) -l)> , а поперечнымсжатием — величину, равную − ( d ′ − d ) -d)> . Если ( l ′ − l ) -l)> обозначить как Δ l , а ( d ′ − d ) -d)> как Δ d , тоотносительное продольное удлинение будет равно величине Δ l l >> , аотносительное поперечное сжатие — величине − Δ d d >> . Тогда в принятых обозначениях коэффициент Пуассона μ имеет вид:

μ = − Δ d d l Δ l . >>.>

Обычно при приложении к стержню растягивающих усилий он удлиняется в продольном направлении и сокращается в поперечных направлениях. Таким образом, в подобных случаях выполнятся 0>»> Δ l l > 0 >>0> 0>»/> и Δ d d 0 > , так что коэффициент Пуассона положителен. Как показывает опыт, при сжатии коэффициент Пуассона имеет то же значение, что и при растяжении.

Для абсолютно хрупких материалов коэффициент Пуассона равен 0, для абсолютно несжимаемых — 0,5. Для большинства сталей этот коэффициент лежит в районе 0,3, для резины он равен приблизительно 0,5.

Существуют также материалы (преимущественно полимеры), у которых коэффициент Пуассона отрицателен, такие материалы называют ауксетиками. Это значит, что при приложении растягивающего усилия поперечное сечение тела увеличивается.

К примеру, бумага из одно

слойных нанотрубок имеет положительный коэффициент Пуассона, а по мере увеличения долимного слойных нанотрубок наблюдается резкий переход к отрицательному значению −0,20.

Отрицательным коэффициентом Пуассона обладают многие анизотропные кристаллы , так как коэффициент Пуассона для таких материалов зависит от угла ориентации кристаллической структуры относительно оси растяжения. Отрицательный коэффициент обнаруживается у таких материалов, как литий (минимальное значение равно −0,54), натрий (−0,44), калий (−0,42), кальций (−0,27), медь (−0,13) и других. 67 % кубических кристаллов из таблицы Менделеева имеют отрицательный коэффициент Пуассона.

Общее понятие

Модуль упругости (также известный как модуль Юнга) – один из показателей механических свойств материала, который характеризует его сопротивляемость деформации растяжения. Другими словами, его значение показывает пластичность материала. Чем больше модуль упругости, тем менее будет растягиваться какой-либо стержень при прочих равных условиях (величина нагрузки, площадь сечения и прочее).

В теории упругости модуль Юнга обозначается буквой Е. Является составной частью закона Гука (закона о деформации упругих тел). Связывает напряжение, возникающее в материале, и его деформацию.

Согласно международной стандартной системе единиц измеряется в МПа. Но на практике инженеры предпочитают использовать размерность кгс/см2.

Определение модуля упругости осуществляется опытным путем в научных лабораториях. Суть данного способа заключается в разрыве на специальном оборудовании гантелеобразных образцов материала. Узнав напряжение и удлинение, при котором произошло разрушение образца, делят данные переменные друг на друга, тем самым получая модуль Юнга.

Отметим сразу, что таким методом определяются модули упругости пластичных материалов: сталь, медь и прочее. Хрупкие материалы – чугун, бетон – сжимают до появления трещин.

Дополнительные характеристики механических свойств

Модуль упругости дает возможность предугадать поведение материла только при работе на сжатие или растяжение. При наличии таких видов нагрузок как смятие, срез, изгиб и прочее потребуется введение дополнительных параметров:

• Жесткость есть произведение модуля упругости на площадь поперечного сечения профиля. По величине жесткости можно судить о пластичности уже не материала, а узла конструкции в целом. Измеряется в килограммах силы.
• Относительное продольное удлинение показывает отношение абсолютного удлинения образца к общей длине образца. Например, к стержню длиной 100 мм приложили определенную силу. Как результат, он уменьшился в размере на 5 мм. Деля его удлинение (5 мм) на первоначальную длину (100 мм) получаем относительное удлинение 0,05. Переменная является безразмерной величиной. В некоторых случаях для удобства восприятия переводится в проценты.
• Относительное поперечное удлинение рассчитывается аналогично вышепредставленному пункту, но вместо длины здесь рассматривается диаметр стержня. Опыты показывают, что для большинства материалов поперечное удлинение в 3-4 раза меньше, чем продольное.
• Коэффициент Пуансона есть отношение относительной продольной деформации к относительной поперечной деформации. Данный параметр позволяет полностью описать изменение формы под воздействием нагрузки.
• Модуль сдвига характеризует упругие свойства при воздействии на образец касательных напряжений, т. е. в случае, когда вектор силы направлен под 90 градусов к поверхности тела. Примерами таких нагрузок является работа заклепок на срез, гвоздей на смятие и прочее. По большому счету, модуль сдвига связан с таким понятием как вязкость материла.
• Модуль объемной упругости характеризуется изменением объема материала для равномерного разностороннего приложения нагрузки. Является отношением объемного давления к объемной деформации сжатия. Примером такой работы служит опущенный в воду образец, на который по всей его площади воздействует давление жидкости.

Помимо вышесказанного необходимо упомянуть, что некоторые типы материалов имеют различные механические свойства в зависимости от направления нагрузки. Такие материалы характеризуются как анизотропные. Яркими примерами служит древесина, слоистые пластмассы, некоторые виды камня, ткани и прочее.

У изотропных материалов механические свойства и упругая деформация одинаковы в любом направлении. К ним относят металлы (сталь, чугун, медь, алюминий и прочее), неслоистые пластмассы, естественные камни, бетон, каучук.

Параметры, от которых зависит упругость древесины

Модуль упругости древесины — параметр изменяющийся, на его значение влияют:

• Влажность. Упругость древесины находится в обратной зависимости от влажности. То есть при высокой влажности дерева, его способность возвращаться к исходной форме будет минимальной.
• Прямослойность. Если волокна расположены извилисто, беспорядочно, то способность восстанавливать форму у неё будет заметно ниже, чем у прямослойной.
• Плотность. Дерево с низкой плотностью не так упруго, как более плотное.
• Возраст дерева. Древесина старого дерева более упруга, чем молодого.
• Природные особенности дерева. Хвойные деревья имеют однорядные мелкие сердцевинные лучи, поэтому их древесина более упругая, хотя удельный вес у таких пород не велик.
• Возраст самой древесины. Более молодые слои ствола дерева называют заболонью, те, что располагаются ближе к центру, и, соответственно, старее – ядром. Заболонь более упругая, чем ядро.

Как определить?

СП 52 101 2003 — стандарт определения параметров применения бетона. Здесь указаны значения всех необходимых коэффициентов для расчета параметров, а подтверждение проводится путем эксперимента на изготовленных образцах. Суть испытания заключается в постепенной нагрузке на образцы (цилиндры или призмы из бетонной смеси) путем осевого сжимающего нагружения до разрушения. Параллельно измеряется степень деформации.

или cкачать в PDF (1007.4 KB)

Результаты можно обозначить следующим образом:

• Показатель соответствует расчетам, образец поддался пластической деформации без растрескивания.
• Предварительные подсчеты неверные: при предполагаемом нагружении образец подвергается сильным разрушениям.

Расчетным способом определяют запас прочности не только обычных зданий, но и арочных сооружений, перекрытий, мостов и дорог. Модуль упругости асфальтобетона при использовании — проблемная задача проектирования, так как подход, разрешающий провести точные расчеты еще не выведен. Не удается определить взаимосвязь между статическим и динамическим модулями в процессе использования дорог.

Диаграммы напряжений

На сегодняшний день существует несколько методик испытания образцов материалов. При этом одним из самых простых и показательных являются испытания на растяжение (на разрыв), позволяющие определить предел пропорциональности, предел текучести, модуль упругости и другие важные характеристики материала. Так как важнейшей характеристикой напряженного состояния материала является деформация, то определение значения деформации при известных размерах образца и действующих на образец нагрузок позволяет установить вышеуказанные характеристики материала.

Тут может возникнуть вопрос: почему нельзя просто определить сопротивление материала? Дело в том, что абсолютно упругие материалы, разрушающиеся только после преодоления некоторого предела — сопротивления, существуют только в теории. В реальности большинство материалов обладают как упругими так и пластическими свойствами, что это за свойства, рассмотрим ниже на примере металлов.

Испытания металлов на растяжение проводятся согласно ГОСТ 1497-84. Для этого используются стандартные образцы. Методика испытаний выглядит приблизительно так: к образцу прикладывается статическая нагрузка, определяется абсолютное удлинение образца Δl, затем нагрузка увеличивается на некоторое шаговое значение и снова определяется абсолютное удлинение образца и так далее. На основании полученных данных строится график зависимости удлинений от нагрузки. Этот график называется диаграммой напряжений.

Рисунок 318.1. Диаграмма напряжений для стального образца.

На данной диаграмме мы видим 5 характерных точек:

1. Предел пропорциональности Р_п (точка А)

Нормальные напряжения в поперечном сечении образца при достижении предела пропорциональности будут равны:

σ_п = Р_п/F_o (318.2.1)

Предел пропорциональности ограничивает участок упругих деформаций на диаграмме. На этом участке деформации прямо пропорциональны напряжениям, что выражается законом Гука:

Р_п = kΔl (318.2.2)

где k — коэффициент жесткости:

k = EF/l (318.2.3)

где l — длина образца, F — площадь сечения, Е — модуль Юнга.