Абсолютная деформация: что это такое и как ее измерить?

Абсолютная деформация - важный показатель, используемый при расчетах на прочность в строительстве и машиностроении. Она характеризует реальное изменение размеров конструкции под воздействием нагрузок. Давайте разберемся, что представляет собой абсолютная деформация и зачем необходимо ее измерять.

Понятие абсолютной деформации

Абсолютная деформация - это величина, показывающая абсолютное изменение размеров или формы тела под действием приложенных сил. Например, если стержень под нагрузкой удлинился на 2 мм, то его абсолютная деформация равна 2 мм.

Абсолютную деформацию следует отличать от относительной, которая показывает деформацию в процентах или долях от первоначального размера.

Существуют различные виды абсолютных деформаций:

  • при растяжении/сжатии - изменение длины стержня;
  • при кручении - угол закручивания стержня;
  • при изгибе - величина прогиба балки.

Например, абсолютная деформация при растяжении цилиндрического образца в испытательной машине может составлять 0,2-0,5 мм. А абсолютные пластические деформации при поперечном изгибе стальной балки достигают нескольких сантиметров.

Балка с абсолютной деформацией

Зависимость между напряжениями и абсолютными деформациями

Для упругой деформации справедлив закон Гука:

σ = E*ε

где σ - напряжение, E - модуль упругости, ε - относительная деформация. Из этой формулы можно выразить абсолютную деформацию Δl:

Δl = σ*l / E

Видно, что абсолютная деформация прямо пропорциональна напряжению и длине образца l и обратно пропорциональна модулю упругости E.

При пластической деформации связь между напряжениями и деформациями может быть нелинейной, особенно при деформационном упрочнении металлов. Например, для стали эта зависимость имеет вид:

σ = A+B*(ε^n)

где показатель степени n обычно лежит в пределах 0,1-0,5. Из такой формулы также можно рассчитать абсолютную деформацию стержня или листовой детали из стали.

Измерение абсолютных деформаций

Для непосредственного измерения абсолютных деформаций стержней и балок используются различные датчики:

  • тензодатчики на основе тензорезисторов;
  • индикаторы часового типа;
  • оптические датчики перемещений.
Прибор Диапазон измерения деформаций
Тензодатчик 0,001-5 мм
Индикатор часового типа 0,01-10 мм
Оптодатчик 0,1-50 мм

Для массивных объектов, таких как фундаменты зданий, плотины, мостовые опоры, оценить абсолютные деформации можно методами геодезических измерений с помощью нивелиров, тахеометров и спутниковых геодезических приемников.

Особое внимание следует уделить измерению абсолютных остаточных деформаций после снятия нагрузки, поскольку они вносят наибольший вклад в нарушение нормальной эксплуатации конструкций.

Допустимые значения и предельные абсолютные деформации

В нормативных документах обычно регламентируются допустимые значения абсолютных деформаций различных конструкций. Например, предельный прогиб балок перекрытий по СНиП не должен превышать 1/150-1/200 пролета в зависимости от расчетной нагрузки.

Для вертикальных строительных конструкций величина допустимой осадки фундаментов лежит в пределах 50-200 мм в зависимости от класса капитальности зданий.

Безопасные уровни деформаций различных материалов

Бетон и железобетон выдерживают растягивающие деформации порядка 0,1-0,3%, сжимающие - до 0,8-1%. Абсолютные значения этих предельных деформаций для конкретной конструкции зависят от ее размеров и армирования.

Для конструкционных сталей предельные деформации составляют 20-25% как в растянутой, так и в сжатой зоне. Пластмассы и полимерные композиты могут деформироваться на 50-100% от первоначальных размеров до разрушения.

График абсолютных деформаций

Прогнозирование абсолютных деформаций при эксплуатации

Для ответственных объектов необходимо заранее предсказывать величины возможных абсолютных деформаций с учетом ожидаемых нагрузок, климатических и температурных факторов, а также старения материалов.

При разработке таких прогнозов используют как аналитические методы расчета деформаций, так и результаты натурных наблюдений за поведением конструкций-аналогов в течение многих лет.

Снижение и компенсация абсолютных деформаций

Существует несколько эффективных способов уменьшения абсолютных деформаций до допустимого уровня:

Усиление деформированных конструкций

Применяется для восстановления несущей способности деформированных зданий, мостов, фундаментов. Например, методом обойм и хомутов или композитными материалами.

Компенсация температурных деформаций

Возможна путем использования компенсаторов, деформационных швов, предварительно напряженной арматуры и других средств в зависимости от конструкции.

Выбор материалов и геометрии конструкций для уменьшения деформаций

На этапе проектирования можно заложить конструктивные решения, препятствующие чрезмерным деформациям в процессе эксплуатации:

  • Применение более жестких и прочных материалов (высокопрочный бетон, легированные стали);
  • Увеличение сечения балок, колонн, панелей и других несущих элементов;
  • Введение дополнительных связей и ребер жесткости;
  • Оптимальный выбор формы поперечного сечения (например, двутаврового).

Рекомендации по эксплуатации конструкций с большими деформациями

Если по каким-то причинам не удается ограничить абсолютные деформации допустимыми значениями, принимают специальные меры эксплуатационного характера:

  • Регулярный мониторинг деформаций с помощью измерительных приборов;
  • Снижение и перераспределение эксплуатационных нагрузок;
  • Установка дополнительных временных опор и креплений в наиболее нагруженных зонах;
  • Поэтапное усиление или замена отдельных деформированных элементов конструкций.

Такой подход позволяет продлевать срок службы различных сооружений с превышением допустимых деформаций и избегать их внезапного разрушения.

Автоматизированные системы мониторинга деформаций

В последние годы все чаще применяются комплексные автоматизированные системы сбора и обработки данных об абсолютных деформациях ответственных объектов в режиме реального времени.

Статья закончилась. Вопросы остались?
Комментарии 0
Подписаться
Я хочу получать
Правила публикации
Редактирование комментария возможно в течении пяти минут после его создания, либо до момента появления ответа на данный комментарий.