Анализ разрушения бетона - Concrete fracture analysis

Эта статья поднимает множество проблем. Пожалуйста помоги Улучши это или обсудите эти вопросы на страница обсуждения. (Узнайте, как и когда удалить эти сообщения-шаблоны) статья дублирует Fracture_mechanics в статье отсутствуют методы механики разрушения, которые используются только для бетона. качество статьи очень низкое: отсутствуют ссылки во всех абзацах, много неточных и неправильных формулировок (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

Конкретный это широко используемый строительный материал во всем мире. Он состоит из совокупность, цемент и вода. Состав конкретный варьируется в зависимости от желаемого применения. Даже размер заполнителя может влиять на механические свойства конкретный в значительной степени.

Особенности бетона

Реакция на растягивающую и сжимающую нагрузку

Бетон крепок на сжатие, но слаб на растяжение. При приложении растягивающих нагрузок бетон легко разрушается. Причину этого явления можно объяснить следующим образом. Заполнители в бетоне способны воспринимать сжимающие напряжения, поэтому бетон выдерживает сжимающую нагрузку. Но во время растягивающей нагрузки образуются трещины, которые разделяют частицы цемента, которые удерживают агрегаты вместе. Это разделение частиц цемента вызывает разрушение всей конструкции по мере распространения трещины. Эта проблема в бетоне решается введением армирующих компонентов, таких как металлические стержни, керамика волокна и т. д. Эти компоненты действуют как каркас всей конструкции и способны удерживать агрегаты при растягивающей нагрузке. Это известно как Армирование бетона.

Свойства материала

Бетон можно назвать хрупкий материал. Это связано с тем, что поведение бетона под нагрузкой полностью отличается от поведения бетона. пластичный материалы, такие как стали. Но на самом деле бетон во многом отличается от идеальных хрупких материалов. В современном механика разрушения бетон считается квазихрупким материалом.^[1] Квазихрупкие материалы обладают значительными твердость которая близка к керамической твердости, поэтому ее часто называют керамической твердостью. Причина твердости керамики может быть объяснена на основе докритического растрескивания, которое происходит во время загрузки бетона. Докритическое растрескивание бетона, которое предшествует окончательная неудача, приводит к нелинейным характеристикам деформации и напряжению и поведению R-кривой. Таким образом, бетон приобретает твердость из-за докритического разрушения.^[2]Также бетон имеет неоднородный структура из-за неравномерного состава в ней ингредиентов. Это также усложняет анализ бетона, приводя к неверным результатам.

LEFM и бетон

Линейная механика упругого разрушения дает надежные результаты в области пластичных материалов, таких как сталь. Большинство экспериментов и теорий в механика разрушения сформулированы с учетом интересов пластичных материалов. Но если мы сравним основные особенности LEFM с результатами, полученными при испытаниях бетона, мы можем найти их несущественными, а иногда и тривиальными. Например, LEFM допускает бесконечное напряжение в вершине трещины. Это не имеет смысла в реальном анализе бетона, где напряжение в вершине трещины фиксировано. А LEFM не может точно рассчитать напряжение в вершине трещины. Поэтому нам нужны другие способы узнать, что такое напряжение на вершине трещины и напряжение распределения около вершины трещины.

LEFM не может ответить на многие явления, демонстрируемые бетоном. Некоторые примеры

• Размерный эффект (некоторые свойства сильно зависят от размера выбранного образца).
• Необъективность анализа методом конечных элементов из-за зависимости от размера ячейки.
• Понятие энергии разрушения или энергии трещины не известно в LEFM.
• Неспособность объяснить деформационное размягчение или квазимягчение бетона.

Зона процесса разрушения (FPZ) в бетоне

В LEFMPA во время растрескивания не упоминается какая-либо конкретная область между областью, которая имеет трещину, и областью, на которой нет. Но очевидно, что в бетоне есть какое-то промежуточное пространство между треснувшим и непотрещенным участком. Этот регион определяется как Зона процесса разрушения (ЗПР). FPZ состоит из микротрещин, которые представляют собой мелкие отдельные трещины, расположенные ближе к вершине трещины. По мере распространения трещины эти микротрещины сливаются и становятся единой структурой, обеспечивая непрерывность уже существующей трещине. Так что действительно, FPZ действует как связующая зона между областью с трещинами и областью без трещин. Анализ этой зоны заслуживает особого внимания, потому что он очень помогает предсказать распространение трещины и окончательное разрушение в бетоне. стали (пластичный) FPZ очень мал и поэтому напряжение упрочнение преобладает над деформационным смягчением. Также из-за небольшого размера FPZ вершина трещины легко отличить от металла без трещин. А в пластичных материалах FPZ является зоной текучести.

Когда мы рассматриваем FPZ в бетоне, мы обнаруживаем, что FPZ достаточно велик и содержит микротрещины. И когезионное давление все еще остается в регионе. Поэтому в этом регионе преобладает смягчение деформации. Из-за наличия сравнительно большого FPZ точного определения вершины трещины в бетоне невозможно.

${ displaystyle f_ {t}}$ = Абсолютная сила

${ displaystyle w}$ = ширина трещины

Площадь под кривой = Энергия разрушения

Предпиковый и постпиковый отклик стали и бетона

Если построить график стресса (Паскаль) vs. деформация (процентная деформация) характеристик материала максимальное напряжение, до которого может быть нагружен материал, известно как пиковое значение (${ displaystyle f_ {t}}$). Поведение бетона и стали можно сравнить, чтобы понять разницу в их характеристиках разрушения. Для этого можно выполнить нагрузку с контролируемой деформацией образца из каждого материала без надреза. Из наблюдений можно сделать следующие выводы:^[3]

Предпиковый

1. Сталь демонстрирует линейный упругий отклик до предела текучести и деформации примерно 0,1%. После этого он подвергается пластической деформации за счет внутренних дислокаций до деформации, соответствующей 25%.
2. Бетон демонстрирует линейную реакцию на значение напряжения: 0,6 ${ displaystyle f_ {t}}$ (60% от пикового напряжения), затем после внутреннего микротрещины вызывает пластический отклик до максимального значения напряжения (${ displaystyle f_ {t}}$). Это пиковое значение наблюдается при деформации приблизительно 0,01%.

Пост-пик

1. Поведение металлов после пикового стресса по-прежнему остается дилеммой для ученых. После этого связывание пикового значения усложняет анализ и не имеет практической пользы.
2. В зоне после пика бетон проявляет дополнительные деформации. В этой области наблюдается локальная трещина и упругая разгрузка. Также нельзя правильно определить деформацию в трещине, мы можем предпочесть модель смещения раскрытия трещины под напряжением (σ-COD) для целей анализа.

Механика разрушения бетона

Понятие энергии разрушения

Энергия разрушения определяется как энергия, необходимая для открытия единицы площади поверхности трещины. Это свойство материала, не зависящее от размера конструкции. Это можно хорошо понять из определения, что он определяется для единицы площади и, таким образом, влияние размера устраняется.

Энергия разрушения может быть выражена как сумма энергии создания поверхности и энергии разделения поверхности. Энергия разрушения увеличивается по мере приближения к вершине трещины.

Энергия разрушения зависит от смещение и нет напряжение. Энергия разрушения заслуживает первостепенной роли в определении окончательной стресс на вершине трещины.

Зависимость от размера сетки

В Метод конечных элементов анализ бетона, если размер ячеек варьируется, то в зависимости от него меняется весь результат. Это называется зависимостью от размера ячейки. Если размер ячеек больше, то конструкция может выдерживать большее напряжение. Но такие результаты, полученные из анализа МКЭ, противоречат реальному случаю.

Эффект размера

В классической механике разрушения значение критического напряжения рассматривается как свойство материала. То же самое и с конкретным материалом любой формы и размера. Но на практике наблюдается, что в некоторых материалах, таких как обычный бетон, размер сильно влияет на значение критического напряжения.^[4] Таким образом, механика разрушения бетона рассматривает значение критического напряжения как свойство материала, а также как параметр, зависящий от размера.

Соотношение размерного эффекта Бажанта

${ displaystyle sigma}$=${ Displaystyle тау}$/√(1+{${ displaystyle d}$/${ displaystyle lambda}$${ displaystyle delta}$})^[4][5]

куда

${ displaystyle sigma}$= Критическое напряжение

${ Displaystyle тау}$ = предел прочности на разрыв

${ displaystyle d}$ = размер образца

${ displaystyle lambda}$ = эмпирическая константа

${ displaystyle delta}$ = максимальный совокупный размер

Это ясно доказывает, что размер материала и даже размер компонентов, таких как размер заполнителя, могут влиять на растрескивание бетона.

Вычислительные модели для анализа трещин

Из-за неоднородной природы бетона он реагирует на «аномалию» уже существующих моделей испытаний на трещины. И очевидно, что изменение существующих моделей потребовалось, чтобы они отвечали уникальным характеристикам механики разрушения бетона.

Более ранние модели

Модель Дагдейла

Основными допущениями этой модели были:

• А пластическая зона присутствует около вершины трещины.
• Значение критического напряжения является постоянным и равно предел текучести через трещину.

Модель Баренблатта

• Возле вершины трещины имеется пластическая зона.
• Значение критического напряжения меняется вместе с производимой деформацией.

Основным недостатком обеих этих моделей было пренебрежение понятием энергии разрушения.^[6]

Модель фиктивной трещины или модель Хиллерборга

Модель, предложенная Хиллерборгом в 1976 году, была первой моделью для анализа разрушения бетона с использованием концепции энергии разрушения. В этой модели Хиллерборг описывает две области трещины, а именно:

• Истинная или физическая трещина
• Зона фиктивной трещины или разрушения (ЗПЗ)^[3]

Истинная трещина

это большая часть внешней части, где процесс растрескивания завершен, и никакие напряжения не могут распространяться через эту зону. ХПК сравнительно высока и более или менее постоянна.

В этой области наблюдается скачок напряжения и скачок смещения.

Зона процесса разрушения

расположен внутри области Истинной трещины, где трещина зарождается и распространяется.

В этой зоне на вершине трещины мы имеем максимальное напряжение = предел прочности бетона на растяжение.^[7]

Вдоль FPZ напряжение является непрерывным, а смещение - прерывистым.

Распространение трещины в FPZ начинается, когда критическое напряжение равно пределу прочности бетона на растяжение, и когда трещина начинает распространяться, напряжение не становится равным нулю. Используя график зависимости энергии разрушения от ширины трещины, мы можем рассчитать критическое напряжение в любой точке, включая вершину трещины. Таким образом, один из основных недостатков LEFM преодолевается с использованием подхода энергии разрушения. Направление распространение трещины также можно определить, указав направление максимума скорость высвобождения энергии.

Понятие характерной длины

Хиллерборг определил параметр, называемый характеристической длиной Хиллерборга (${ displaystyle l}$), который численно выражается как,

${ displaystyle l = { frac {EG} { sigma ^ {2}}}}$ ^[8]

куда

${ displaystyle l}$= характерная длина

${ displaystyle E}$= Модуль Юнга

${ displaystyle G}$ = энергия разрушения

${ displaystyle sigma}$ = критическое значение напряжения

Характерная длина Хиллерборга может использоваться для прогнозирования хрупкости материала. По мере уменьшения величины характерной длины преобладает хрупкость, и наоборот.

Модель Crack Band

Предложенная Базаном и О в 1983 году, эта теория может хорошо атрибутировать материалы, однородная природа которых изменяется в определенном диапазоне случайным образом. Итак, мы выбираем для анализа какой-то конкретный более или менее однородный объем. Следовательно, мы можем определить напряжения и деформации. Размер этой области должен быть в несколько раз больше максимального совокупного. В противном случае полученные данные не будут иметь физического значения. Зона процесса разрушения моделируется полосами размазанной трещины.^[8] А чтобы преодолеть необъективность метода конечных элементов, мы используем критерий растрескивания по энергии разрушения.

Ширина трещины оценивается как произведение ширины полосы трещины и деформации элемента. При анализе методом конечных элементов ширина полосы трещины является размером элемента траектории процесса разрушения.

Рекомендации

Смотрите также

• Механика разрушения - Область механики, связанная с изучением распространения трещин в материалах
• Теория разрушения материала
• Влияние размера на прочность конструкции
• Разрушение бетонного конуса