Wytrzymałość na ściskanie betonu i rozciąganie – metody pomiaru.

Parametry betonu takie jak wytrzymałość na ściskanie i rozciąganie mierzone są laboratoryjnie na podstawie normowych próbek i ściśle ustalonych metod. Aby „nauczyć” się jak czytać klasę betonu np. C30/37, musimy rozumieć co kryje się pod tymi liczbami.

Wytrzymałość na ściskanie betonu

Wytrzymałość na ściskanie mierzona jest na próbkach sześciennych o boku 150 mm lub walcowych o średnicy 150 mm i wysokości 300 mm. Badanie przeprowadzane jest po 28 dniach twardnienia (dojrzewania) betonu w ustandaryzowanych warunkach.

Wzór na wytrzymałość betonu

f_{c} = \frac{P_{n}}{A_{c}} \\

Gdzie P to przyłożona siła niszcząca a A powierzchnia do której jest ona przyłożona.

W nazewnictwie możecie spotkać tez rozróżnienie pomiędzy dwoma typami próbki.

f_{c, cyl}  - wytrzymałość\ dla\ próbki\ cylindrycznej \\
 f_{c, cube}  - wytrzymałość\ dla\ próbki\ sześciennej\\ 

Wytrzymałość próbki cylindrycznej jest zawsze mniejsza od wytrzymałości próbki sześciennej. Wyniki badań dla obu kształtów próbek zapisane są w klasie betonu np. C30/37 gdzie 30 to wytrzymałość w MPa próbki walcowej i odpowiednio 37MPa to wytrzymałość próbki sześciennej, oczywiście wykonanej z tego samego składu betonu.

Co ciekawe istnieją współczynniki pozwalające na przeliczania wytrzymałości próbek o innych wymiarach do tych standardowych. Np. dla sześcianu o boku 20cm wytrzymałość należy przemnożyć przez 1,05 a dla próbki 10cm przez 0,9. Na podstawie współczynników możemy wywnioskować że im większa jest próbka tym zakładana wytrzymałość jest mniejsza. Zjawisko to nazywane jest efektem skali, występujące przy materiałach o strukturze ziarnistej.

Zakłada się, że w objętości próbki rozmieszczone są defekty tzn. lokalne osłabienia struktury o różnych rozmiarach. Największy defekt zapoczątkowuje zniszczenie próbki. Zakładając, że defekty są rozłożone losowo, dochodzi się do wniosku że w dużej próbce prawdopodobieństwo natrafienia na odpowiednio duży defekt jest większe niż w próbce małej.

Michał Knauff , Obliczanie Konstrukcji Żelbetowych wg. Eurokodu , wydanie III poszerzone

Co ważne efekt skali zanika wraz ze znacznym wzrostem próbki, więc z dużym przybliżeniem możemy założyć że podane wymiary próbek odwzorowują wytrzymałość betonu w budynku, a w sytuacjach obliczeniowych z pomocą przychodzą różnego rodzaju współczynniki zapewniające bezpieczeństwo konstrukcji.

Sam proces ściskania próbek w laboratorium odbywa się w odpowiednio do tego przygotowanej prasie z podkładkami.

Oczywiście wytrzymałość zapisana w klasie betonu np. C30/37 nie jest określana na podstawie zgniecenia jednej próbki. Nie jest to nawet średnia wytrzymałość, którą otrzymalibyśmy z miażdżenia 'n’ próbek.

Jest to tzw. wytrzymałość charakterystyczna, która to jest mniejsza od wartości średniej.

f_{ck} < f_ {m}\\
m - jak\ z\ ang.\ mean\ czyli\ średnia 

Wytrzymałość charakterystyczna mówiąc w skrócie to wytrzymałość jaką przekroczy 95% badanych próbek. Analogicznie tylko 5% tej wartości nie osiągnie. Widzimy więc jak ostrożnie norma podchodzi do wszelkich wyników badań. W obliczeniach dochodzą jeszcze oczywiście różnego rodzaju współczynniki, ale o tym może w osobnym artykule…

Wytrzymałość na rozciąganie

f_{ct} = \frac{P_{n}}{A_{c}} \\

’c’ – z ang. concrete czyli beton
’t’ – jak tensile czyli rozciąganie.

Gdzie P to przyłożona siła niszcząca a A powierzchnia próbki.

Beton intuicyjnie nie jest materiałem „rozciągliwym” więc parametr ten nie jest tak kluczowy jak wytrzymałość na ściskanie. Oczywiście zbrojenie umieszczane w betonie w wystarczającym stopniu kompensuje tę wadę.

Istnieje kilka sposobów na zbadanie wytrzymałości betonu na rozciąganie.

Rozciąganie osiowe

Metoda ta rzadko stosowana ze względu na wymaganą dużą precyzje w trakcie wykonywania badania. Siła musi być przyłożona idealnie w osi próbki a jej zniszczenie musi nastąpić w środku próbki (nie w miejscu mocowania).

Rozciąganie przy rozłupywaniu (metoda brazylijska)

W metodzie tej mierzy się siłę rozłupującą, którą następnie przemnażamy przez współczynnik 0,9 aby uzyskać siłę rozciągającą.

f_{ct} = 0.9 f_{ct,sp}

Zginanie beleczek

f_{ct, fl} = \frac{M_n}{W}= \frac{1}{3} \frac{6P_nl}{bh^2}

fl– z ang. flexural tensile strength (wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu (flex))

W we wzorze to wskaźnik wytrzymałości przekroju poprzecznego w tym wypadku prostokątnego.

Źródła: Grafika dotycząca wytrzymałości charakterystycznej https://sarat212.wordpress.com/ Michał Knauff , Obliczanie Konstrukcji Żelbetowych wg. Eurokodu , wydanie III poszerzone