اختبار الشد المباشر

ما هو اختبار الشد المباشر؟

يمكن تعريف قوة التشقق الخرسانية بأنها قوة الشد للخرسانة المعرّضة لضغط التوتر النقي. ومع ذلك، نظرًا لأنه من الصعب تطبيق حمل التوتر المباشر على العينات الخرسانية، يتم عادة تكسير الخرسانة بواسطة معامل التمزّق لأعضاء الانثناء. وفي هذه الدراسة، تم تطوير إعداد جديد لاختبار التوتر المباشر للعينات الأسطوانية (قطرها 101.6 مم وارتفاعها 203.2 مم)، على غرار تلك المستخدمة في اختبار الضغط، يتم استخدام صفائح فولاذية مزدوجة للحصول على توزيعات إجهاد موحدة ويتم إجراء تحليل العناصر المحدودة لإعداد الاختبار المقترح.

يتم فحص انتظام توزيع الضغط على طول العينة الأسطوانية ومقارنتها مع المقطع العرضي المستطيل، يتم استخدام طريقة التعرف على نمط الصورة المشوشة لتقييم تماثل الإجهاد على طول العينة وعلاوة على ذلك، يتم تقييم احتمال التصدّع في مواقع مختلفة على طول العينة باستخدام تحليل العناصر المحدودة الاحتمالية، أظهرت النتائج التجريبية والعددية لموقع التكسير أن تأثير الجاذبية على الخرسانة الطازجة خلال وقت الإعداد قد يُؤثّر على توزيع قوة التشقق الخرسانية على طول ارتفاع العناصر الهيكلية.

من الصعب قياس قوة التشقق الخرساني وبالتالي فهي مصدر عدم اليقين الكبير في التنبؤ بالخدمة، إنَّ وجود تشققات تحت حمل الخدمة في هياكل الخرسانة المسلحة يجعل من الصعب التنبؤ بالانحرافات بينما يفترض عادة أن تكون الخرسانة المتشققة غير قادرة على تحمل ضغوط الشد، فإنَّ الخرسانة بين الشقوق المجاورة يمكن أن تقاوم قوة الشد بسبب الروابط بين الخرسانة وحديد التسليح، يُعرف هذا بتأثير التوتر، ولذلك من أجل النظر في انحرافات هياكل الخرسانة المسلحة، تُؤثّر قوة التكسير الخرسانية على الصلابة الهيكلية للأعضاء.

بالنسبة للعناصر المرنة، عادة ما يتم تمثيل التكسير الخرساني بمعامل التمزّق ومع ذلك، في تجارب البحث أظهر معامل التمزّق تباينًا كبيرًا بينما يوفر معامل التمزّق تقديرًا جيدًا لقوة التشقق، فقد أظهر الباحثون أن تنبؤات الخدمة الدقيقة تتطلب الحصول على قوة الشد الحقيقية للخرسانة. بالإضافة إلى ذلك، جادل الباحثون أنه نظرًا لأهمية الانكماش على صلاحية هياكل الخرسانة المسلحة، يجب استخدام معايير التكسير الأخرى مثل قوة الشد المباشرة أو غير المباشرة للخرسانة كدليل على التكسير الخرساني.

تستخدم ثلاث طرق بشكل شائع لقياس قوة التكسير الخرساني، اختبار الانحناء والانقسام واختبار الشد المباشر، بينما يمكن إجراء اختبار قوة الانحناء واختبار مقاومة الشد للانقسام. وفقًا لطريقة الاختبار القياسية الأمريكية وطريقة الاختبار القياسية لتقسيم مقاومة الشد لعينات الخرسانة الاسطوانية على التوالي، فإنَّ طريقة الاختبار القياسية الأمريكية ليس لديها توصيات للتوجيه المباشر اختبار التوتر للخرسانة، حيث أنه من الصعب التأكد من تطبيق الضغط أحادي المحور على طول العينة بالتساوي.

تم اقتراح العديد من الطرق لاختبار التوتر المباشر، مثل استخدام قبضة الاحتكاك والمرساة والإيبوكسي لإرفاق آلة التحميل وعينة الخرسانة ومع ذلك، فإنَّ كل هذه الطرق تثير ضغوطًا ثانوية تؤدي إلى تطبيق ضغط غير متساوٍ على العينات الخرسانية، لجعل حمل النقطة المطبقة حمولة موزعة بالتساوي يقترح مكتب الاستصلاح الأمريكي استخدام نظام صفيحة مزدوجة لحجمين بأقطار قطرها 152.4 مم و 254 مم.

إعداد اختبار الشد المباشر:

بالنسبة إلى حجم الأسطوانة التي يبلغ قطرها 101.6 مم وارتفاعها 203.2 مم، تم اعتماد نظام لوحة مزدوج مع مادة لاصقة إيبوكسية لإعداد اختبار التوتر المباشر، والهدف هو استخدام أسطوانات مماثلة لتلك المستخدمة لتقييم قوة الضغط الخرسانة في صناعة الخرسانة. تم توصيل الألواح الداخلية والخارجية ببعضها البعض بواسطة ثمانية مسامير عالية القوة وتم تطبيق حمل التوتر من خلال محامل الكرات من أجل منع تطوّر ضغوط الانحناء والالتواء في العينة الخرسانية.

تم تحديد سُمك اللوح الداخلي ليكون 38.1 مم وفقًا لمركز أبحاث وتطوير مهندسي الجيش الأمريكي وتم اقتراح أن تكون سماكة اللوح الطرفي أعلى من ثُلث قطر عينة الاختبار. تم اختيار سُمك الصفيحة الخارجية بمقدار نصف سمك الصفيحة الداخلية وتم تحسين مواقع الاغلاق للوحات الداخلية والخارجية عن طريق تحليل العناصر المحدودة للحصول على توزيع الإجهاد الموحد.

تحليل اختبار الشد:

أجريت تحليلات العناصر المحدودة المرنة الخطية للتحقيق في توزيع الإجهاد على طول العينة الأسطوانية والمستطيلة، تم تصميم نماذج الاختبار كنماذج صلبة ثلاثية الأبعاد وتم تصميم الإيبوكسي والألواح الطرفية المزدوجة والخرسانة باستخدام التحكّم في البنية النانوية للمواد، وهو عنصر مكعب صلب يحتوي على ثماني عُقد ذات ثلاث درجات من الحرية للترجمات حول العقدة، وفي كل عقدة يتم عرض خصائص المواد المستخدمة لتحليل العناصر المحدودة.

من المهم التأكيد على أن الغرض من النمذجة العددية هو تحديد مقدار تماثل توزيع الضغط في عينة التوتر وعدم فحص سلوك التصدع في العينة الخرسانية. لذلك، يتم استخدام المنطقة المرنة الخطية فقط من النموذج التأسيسي الخرساني لتحليل العناصر المحدودة، بالنظر إلى تناظر عينة الاختبار والتحميل تم تصميم ربع قسم العينة ونصف طول العينة وتم تعديل الشروط الحدية لنماذج العناصر المحدودة لمحاكاة شروط التناظر.

إجهادات الاختبار على طول العينات:

على الرغم من أن الاختلافات المنخفضة بشكل ملحوظ في الإجهاد للعينة الأسطوانية أكدت اتساق الإجهاد عبر عينة التوتر وعلى طولها، فقد تم تطوير طريقة لقياس تشابه توزيع الإجهاد عند ارتفاعات مختلفة على طول العينة ويتم تقديمها هنا. تم تحديد درجات التشابه بين توزيعات إجهاد الشد، كما أنتجها تحليل العناصر المحدودة في المقاطع العرضية المختلفة وتوزيع إجهاد الشد المطبق.

تم تحديد درجة التشابه باستخدام مبادئ التعرف على نمط الصورة الغامض، هذه الطريقة هي إحدى الطرق لتحديد درجة التشابه بين صورتين. تم تطبيق الطريقة على شرائح ثنائية الأبعاد وتم حساب التشابه بين صورتين لهما نفس الحجم وعدد وحدات البكسل من خلال مقارنة قيم البكسل المقيسة بالفاصل الزمني. بعد تحويل الصور إلى ثلاث صور ملونة أساسية أحادية اللون باللون الأحمر والأخضر والأزرقتم تعيين التشابه بين وحدتي بكسل إلى زوج من البكسل في ثلاث صور أحادية اللون وفقًا لاختلاف البكسل.

موقع الكسر في العينات:

على الرغم من وجود إجهاد موحد في العينة الخرسانية التي تعرضت للتوتر من خلال إعداد الاختبار المقترح، إلا أنه من الصعب التنبؤ بموقع فشل التكسير في الخرسانة بسبب الاختلافات المتأصلة في الهياكل المجهرية الخرسانية ويُظهر التحليل العددي للعينة الخرسانية المعرضة للتوتر أنه تم تطوير إجهاد موحد على طول العينة بافتراض أن توزيع المواد متجانس وأن الاستجابة مرنة خطية.

إذا تم وضع الخرسانة بشكل صحيح ولم يحدث أيّ اختلاف في وزن وحدة الخرسانة على طول العينة فمن المتوقع أن يتم توزيع موقع التكسير في اختبار الشد المباشر المقترح بشكل موحد على طول العينة، على سبيل المثال يمكن أن يحدث التكسير في أيّ مكان على طول العينة. ومع ذلك، أظهرت نتائج اختبار التوتر المباشر لـ 27 عينة من إعداد الاختبار المقترح أن موقع التكسير كان يتركز بشكل متكرر في الثلث العلوي من العينة وأثبت التحليل الإحصائي لموقع التكسير أنه تكون مختلفة بشكل كبير عن منتصف الارتفاع.