Метод оценки напряженного состояния материалов по данным инфракрасного излучения

При решении ряда геологических и инженерных задач необходимо знание напряженного состояния элементов сооружения. Для оценки напряженного состояния материалов применяются методы, которые можно объединить в две группы. В первую группу входят методы, по которым можно оценить напряженное состояние материала до его разрушения – это неразрушающие методы контроля. В основу их положены такие критерии, как звуковое давление, температура, ультразвук и др. [1, 2, 6].

Ко второй группе относятся методы, по которым оценивается напряженное состояние материала после его разрушения [9]. Разработка методов второй группы обусловлена тем, что в практике достаточно часто встречаются случаи, когда проектные решения (расчетные модели) не всегда обеспечивают устойчивость инженерных объектов. Это приводит к аварийным ситуациям, поэтому необходима информация о реальных нагрузках (напряжениях), при которых произошло разрушение элементов сооружения. Особенно важны эти методы в качестве инструмента для экспертов, выявляющих причины аварий. Кроме того, информация позволит провести корректировку расчетных моделей, тем самым повысив надежную эксплуатацию сооружений.

Целью данных исследований является разработка метода оценки напряженного состояния материалов по данным инфракрасного излучения.

Выбор и обоснование критериев оценки напряженного состояния материалов

В работе [10] исследованы взаимосвязи между напряженным состоянием материалов и величиной шероховатости (Rz) поверхности магистральной трещины разрушения. Выявлено, что при одноосном растяжении Rz принимает меньшие значения, чем при одноосном сжатии. В условиях сжатия установлено закономерное уменьшение Rz с увеличением максимальных нормальных напряжений (σн), действую- щих в зоне разрушения материалов. Поэтому в качестве критерия оценки напряженного состояния материалов можно использовать показатель Rz.

При нагружении материалов до разрушения в зоне магистральной трещины наблюдается увеличение температуры (∆t) исследуемых материалов. При этом в условиях одноосного растяжения ∆t принимает меньшие значения, чем при одноосном сжатии [7].

В зоне сжимающих напряжений на поверхности трещины разрушения исследуемый материал изменяет первоначальный состав и структуру. Так, в каменной соли, гипсе и пенобетоне первоначальная структура преобразуется в полосчатую, ориентированную в сторону сдвига структуру. В зоне разрушения обнаружен песок трения преимущественно пылеватой фракции [7].

Таким образом, для оценки напряженного состояния материалов теоретически можно использовать следующие критерии:

– величину шероховатости (Rz) поверхности магистральной трещины разрушения;

– температуру (∆t) материала в ее зоне;

– изменение первоначальной структуры материалов магистральной трещины разрушения;

– изменение минерального состава ее материнской породы.

В данной работе нами был использован показатель ∆t.

Метод оценки напряженного состояния материалов

Метод включает в себя следующие операции.

• 1.    Из материала исследуемой конструкции сооружения изготавливаются образцы, которые испытываются в условиях одноосного сжатия и растяжения, а также в объемном напряженном состоянии.

• 2.    По данным испытаний строится паспорт прочности грунта. По нему определяют максимальные нормальные напряжения (σ н ), действующие в зоне разрушения материалов для каждого вида напряженно-

• го состояния (рисунок). Под видом напряженного состояния материала понимаем его работу в условиях одноосного сжатия и растяжения, а также в объемном напряженном состоянии.

• 3.    До и после испытаний образцов определяется среднее значение температуры (∆t ср ) в зоне магистральной трещины разрушения для каждого вида напряженного состояния грунта – одноосных сжатия и растяжения, объемного напряженного состояния [7].

• 4.    Затем строится номограмма изменения температуры (∆t ср ) на поверхности магистральной трещины разрушения материалов в зависимости от σ н .

• 5.    С поверхности исследуемого элемента конструкции сооружения при помощи тепловизора снимается термограмма, после обработки которой определяется средняя температура (∆t ср ), при которой произошло разрушение материала.

• 6.    По величине ∆t ср , используя полученную номограмму (п. 4), вычисляют напряжения (σ н ).

• 7.    Затем по σ н , используя паспорт прочности материала (рисунок), определяют напряженное состояние материала (σ 1 и σ 2 ), при котором произошло разрушение элемента конструкции исследуемого сооружения, путем построения круга Мора.

• 8.    По данным напряженного состояния материала находят значения прочности – сцепление (С) и угол внутреннего трения (φ), при котором произошло разрушение конструкции сооружения (рисунок).

Паспорт прочности грунтов: максимальные нормальные напряжения (σ н ), угол внутреннего трения пород (φ), сцепление (с), главные нормальные напряжения (σ 1 и σ 2 )

Пример реализации метода

Для оптимизации конструктивных параметров инженерных сооружений, в том числе для определения ширины и высоты межэтажных стоек, необходимы информация о виде их напряженного состояния, а также предельные прочностные характеристики бетона, изготовленного из цемента М-400, при котором стойки находятся в устойчивом состоянии.

Предложенный метод реализуется следующим образом:

• 1.    Изготавливаются образцы из бетона М-400 по методике, изложенной в работе [7]. Образцы материалов испытываются на одноосное σ р -растяжение, σ с -сжатие и в условиях объемного напряженного состояния [7]. Бетон исследуется при боковых давлениях (σ 2 =σ 3 =3,2 МПа) в стабиломет-ре.

• 2.    По результатам исследований строится паспорт прочности.

• 3.    После испытаний образцов (их разрушения) определяется средняя температура (∆t ср ), при которой произошло разрушение материала для каждого вида напряженного состояния грунта – одноосных сжатия и растяжения, объемного напряженного состояния. Результаты измерений (∆t ср ) приведены в таблице.

• 4.    Определение σ _н производилось по зависимости:

• 5.    Затем строится номограмма изменения ∆t ср в зависимости от σ н .

• 6.    Далее при помощи тепловизора с поверхности исследуемого элемента конструкции сооружения снимается термограмма, после обработки которой вычислялась средняя температура ∆t ср =0,6°С, при которой произошло разрушение материала.

• 7.    По величине ∆t ср =0,6°С, используя полученную номограмму, определяют зна-

• чения максимальных нормальных напря- деляют напряженное состояние материала жений, действующих в зоне разрушения σ1=22 МПа и σ2=0, при котором произошло материалов σн=5 Мпа.                     разрушение элемента сооружения.

• 8.    Затем по σ н =5 МПа, используя

ст _н = 0 -1 cos² а + а 3 sin² а , (1) а = 45 - у /2, (2)

здесь ϕ – угол внутреннего трения, град.

Результаты исследований (σ н ) приведены в таблице.

паспорт прочности каменной соли, опре-

Результаты измерений при испытании образцов

Материал	Объемное напряженное состояние			Одноосное сжатие			Одноосное растяжение
	σ 1, МПа	σн, МПа	∆t ср, град	σ сж , МПа	σн, МПа	∆t ср, град	σ р , МПа	σн, МПа	∆t ср, град
Цемент М400	30,3	14,0	1,4	25,6	8,0	0,8	0,21	0,07	0,5

Заключение

Разработан способ определения напряженного состояния материалов, основанный на взаимосвязи между температурой на поверхности разрушения ∆t ср и напряжениями σ _н , действующими в зоне разрушения.