Механические свойства конструкции

   Механические свойства определяют поведение конструкций под действием внешних нагрузок. Последние вызывают разрушение либо деформацию материалов. Сопротивление материалов механическому разрушению характеризуется их прочностными свойствами: прочностью, твердостью, истираемостью, сопротивлением удару, износом.

   Способность материалов изменять  под нагрузкой форму и размеры  характеризуется деформационными  свойствами: упругостью, пластичностью,  хрупкостью и ползучестью.

Под действием  внешних сил строительные конструкции  претерпевают деформацию. Изменение  формы и размеров тела под действием  внешних сил называется деформацией. При этом твердые тела по-разному  реагируют на снятие нагрузки, проявляя свойства упругости или пластичности.

   Упругость - свойство материала  восстанавливать свои форму и  объем после прекращения действия  внешних сил. Упругую деформацию  называют обратимой. Наибольшее  напряжение, при котором действует  лишь упругая деформация, называют  пределом упругости. В области  упругих деформаций действителен  закон Гука. Деформация материала  пропорциональна действующему напряжению.

   Пластичность - свойство материала  необратимо деформироваться под  действием внешних сил.           

   Пластическая (остаточная) деформация, не исчезающая после снятия  нагрузки, называется      необратимой.    

   Механические свойства материалов  характеризуются диаграммой деформаций, которую строят в координатах  механическое напряжение а - относительная  деформация

   Начальные участки диаграмм деформирования - прямолинейны. Это означает, что  материал работает как упругое  тело и его деформация пропорциональна  напряжению. Связь деформаций £  и напряжений о в области упругой работы материала на участке ОА описывается с помощью закона Гука.

   При увеличении напряжений в  стальном образце наблюдаются  пластические деформации. Бетон  характеризуется хрупким разрушением,  при котором пластические деформации  невелики - площадка текучести отсутствует.

   На характер и величину деформации  влияют не только величина  механического нагружения, но и скорость приложения этой нагрузки, а также температура материала. Как правило, с повышением скорости нагружения, а следовательно, деформирования, а также с понижением температуры материала деформации по своему характеру приближаются к упругим и упруго-пластическим, уменьшаясь по своей абсолютной величине.

   Пластическая деформация, медленно нарастающая в течение длительного периода времени под влиянием постоянных силовых факторов, не способных вызвать остаточную деформацию за обычные периоды наблюдений, называется деформацией ползучести, а процесс такого деформирования – ползучестью. Явление ползучести выражается в непрекращающемся изменении размера тела (образца) под влиянием растягивающих или сжимающих постоянных силовых воздействий (напряжений ниже предела прочности) при постоянной температуре - ниже температуры плавления. Ползучесть обычно выражают в единицах скорости деформации как относительное изменение размеров образца (мм) за время (ч)

   Деформационные свойства строительных материалов обусловливаются периодом или временем релаксации. Релаксацией называется процесс самопроизвольного падения внутренних напряжений в материале, связанных с молекулярным перемещением, при условии, что начальная величина деформации остается неизменной, например зафиксированной жесткими связями. Характер начальной деформации в период релаксации напряжений может измениться, например из упругой перейти в необратимую (пластическую), что связано с переориентацией внутримолекулярной структуры. Время или период релаксации определяет продолжительность релаксационных процессов, в результате которых первоначальная величина напряжений при строго зафиксированной деформации снизилась в е раз (е - основание натуральных логарифмор, равное 2,718...). Эта величина является важной характеристикой строительных материалов: чем она меньше, тем менее деформативным является материал. Нередко время релаксации зависит от температуры материалов в момент испытания и скорости приложения нагрузки, являясь непостоянной величиной.

   К упругим материалам относятся природные и искусственные каменные материалы, стекло, сталь; к пластичным - битумы при положительных температурах, некоторые виды пластмасс, бетонные и растворные смеси до затвердевания.При весьма малой продолжительности действия сил по сравнению с величиной времени релаксации все материалы (тела) ведут себя как упруго-хрупкие и имеют полную обратимость деформаций, если, конечно, напряжения не нарушают их сплошности.

   Хрупкость - свойство материала разрушаться после незначительной пластической деформации. Хрупкому материалу в отличие от пластичного нельзя придать при прессовании желаемую форму, так как такой материал под нагрузкой дробится на части, рассыпается. Хрупкими являются природные и искусственные камни, стекло, чугун и др.

   Провести четкую границу между пластичными и хрупкими телами невозможно. Даже в одном и том же теле можно наблюдать либо пластичность, либо хрупкость. На характер деформации влияют различные факторы, такие как температура, тип напряженного состояния, скорость деформации, окружающая среда и др. Повышение температуры, как правило, способствует пластичности, при понижении температуры возрастает хрупкость. Влияние напряженного состояния на характер деформирования показывают опыты с хрупкими материалами. Например, мрамор при линейном напряженном состоянии - хрупкое тело, но при деформации в условиях объемно-напряженного состояния он приобретает пластичность.

   Во всяком теле, подверженном действию внешних сил, возникают внутренние силы. Это происходит вследствие деформации твердого тела: атомы или ионы, образующие кристаллическую решетку, смещаются относительно своих положений равновесия, а силы связи между ними противодействуют этому смещению как внутренние силы.

   Прочность - способность материала сопротивляться разрушению, а также необратимому изменению формы (пластической деформации) при действии внешних нагрузок. Мерой прочности материала является предел прочности - наибольшее напряжение, соответствующее нарастающей нагрузке, при которой образец материала разрушается. Кроме указанной, типичными характеристиками служат пределы упругости и пластичности, соответствующие напряжениям на диаграмме деформирования соответственно для точек А и Б. Все эти характеристики прочности относятся к кратковременному действию приложенной нагрузки. При длительном действии нагрузки возрастает опасность нарушения структуры материала.

На практике разрушение материала начинается значительно  раньше того момента, когда напряжения в нем достигнут теоретического предельного значения. Это объясняется  тем, что в реальных материалах много  дефектов самого различного уровня (начиная  от молекулярного и кончая макродефектами, например трещинами).

   Для экспериментального определения предела прочности материала используют образцы правильной геометрической формы - кубы, призмы, цилиндры, стержни, полоски. Размеры образцов, процедура испытания, вид и скорость нагружения, правила обработки результатов выдерживаются в строгом соответствии с требованиями стандарта. Чаще всего материалы испытывают сжимающей или растягивающей нагрузкой F.

   Различные материалы характеризуются разным пределом прочности при сжатии: от 0,05 (пенополистирол) до 1000 МПа и более (высокопрочная сталь). Часто одни и те же материалы имеют неодинаковый предел прочности, и в зависимости от этого их подразделяют на марки и сорта. Так, марки строительного раствора соответствуют пределу прочности (кгс/см2) от 4 до 200, обычного бетона - от 100 до 600, керамического кирпича - от 75 до 300. Прочность материала зависит от его структуры, пористости, влажности, дефектов строения, температуры, состояния поверхности и других факторов. Кроме прочности технической или реальной, определяемой с помощью условных приборов, существует прочность, рассчитываемая вычислением и поэтому называемая теоретической. Простейший метод оценки теоретической прочности твердых тел был предложен М. Поляни в 1921 г. Идея расчета состояла в следующем. Если для разрыва стержня сечением 1 потребовалось приложить напряжение 0, а атомные плоскости при этом удалились друг от друга на величину а (параметр кристаллической решетки), то работа выразилась как 0. При разрыве образовались две новых поверхности площадью 2 , а затраченная работа перешла в свободную поверхностную энергию.

   Большое различие между теоретической и реальной прочностью материала объясняется дефектностью микроструктуры, т. е. наличием микротрещин, пор и т. д. Чем крупнее образцы твердых тел, принятых для испытания, тем больше концентрируется в них дефектов, а поэтому их реальная прочность ниже, т. е. действует обратная зависимость прочности от размера изделий (масштабного фактора).

   Следует отметить, что прочность в большей степени, чем другие свойства материала, проявляет чувствительность к явлениям и процессам формирования и изменения структуры, особенно кристаллической. Прочность материала является структурно-чувствительным свойством, поэтому ее можно изменять в необходимом направлении путем соответствующих корректив структуры на микро или макроуровне; уменьшения дефектов; введения добавок, например кристаллических затравок; повышения дисперсности новообразований; оптимизации структуры, изменения пористости и размера пор и др.

   Твердость - свойство материала сопротивляться проникновению в него более твердого тела. Твердость ряда строительных материалов (бетона, древесины, металлов, строительного раствора) определяют специальным прибором, вдавливая в них закаленный стальной шарик, алмазный конус или пирамиду. В результате испытания вычисляют число твердости. Оно равно отношению силы вдавливания к площади поверхности отпечатка. Твердость минералов и однородных горных пород оценивают по шкале Мооса, содержащей десять минералов, расположенных по возрастающей твердости, начиная от талька (твердость 1) и кончая алмазом (твердость 10). Твердость исследуемого материала определяют, последовательно царапая его входящими в шкалу твердости минералами.

   Истираемость - свойство материала уменьшаться в объеме и массе под действием истирающих усилий.

   Сопротивление материала истиранию определяют на круге истирания с подсыпанием абразивных порошков - наждака или кварцевого песка. Истираемость зависит от прочности и твердости материала и важна для оценки эксплуатационных свойств материалов полов, ступеней лестниц, дорожных покрытий.