Закономерности деформирования строительных материалов.

Работа материалов для несущих конструкций под нагрузкой и их расчетные характеристики

Цель: Научиться определять нормативные и расчетные сопротивления, модули упругости и коэффициенты условия работы для различных конструкционных материалов

Сталь

Выбор стали для рассчитываемых конструкций производится по пр.1 табл.50 СНиП II-23-81*. Учитывается сложность напряженного состояния, которое испытывает конструкция при работе. Все конструкции разбиты на 4 группы( 1- наиболее сложное состояние, например подкрановая балка). Исследование работы стали проводится на образцах испытанием на растяжение на разрывных машинах. Машина снабжена прибором для автоматической записи диаграммы растяжения – зависимости между нагрузкой и абсолютным удлинением, которая пересчитывается в зависимость между напряжением и относительным удлинением и не зависит от абсолютных размеров образца.

σ

σ_пц σ_у σ_т σ_в

0 ξ

δ

Характерные точки диаграммы:

1 –соответствует пределу пропорциональности, до этой точки соблюдается закон Гука о прямой зависимости между напряжением и деформацией

2 – соответствует пределу упругости материала σ_у, до этой точки увеличение нагрузки не вызывает остаточных деформаций, материал деформируется упруго.

3 – является концом участка, где образец деформируется без увеличения нагрузки («течёт»), соответствует пределу текучести σ_т

4 – соответствует максимальной нагрузке, в этот момент на образце образуется «шейка», т.е. резкое сужение . Напряжение в этой точке называется временным сопротивлением разрыву или пределом прочности σ_в – это отношение максимальной нагрузки к первоначальной площади сечения образца.

Характеристикой прочности пластичного материала (а к таким материалам относятся большинство марок строительных сталей) является предел текучести. Соответственно, нормативные и расчетные сопротивления, необходимые для расчета конструкций, принимаются по пределу текучести

R_yn= σ_т - нормативное сопротивление стали

R_y - расчетное сопротивление стали

Нормативные и расчетные сопротивления стали принимаются по табл.51 СНиП II-23-81*, в зависимости от стали, вида проката (фасонный или листовой) и толщины проката.

R_y должны умножаться на коэффициент условия работы (см. табл.6 СНиП II-23-81*.

Кроме требований по прочности к сталям могут предъявляться требования по ударной вязкости, которые определяются категорией стали.

Для ряда расчетов необходимо знать модуль упругости

Е = 2,1^. 10⁵ МПа – прокатная сталь

Сортамент - перечень прокатных профилей с указанием формы, размеров, геометрических характеристик, массы.

Древесина

Деревянные конструкции выполняются из лесоматериалов, которые делятся на круглые (бревна), пиленые (пиломатериалы: брус, доска, брусок) и строительную фанера.

Бревна поставляются диаметром 140-240 мм, длиной 4-6,5 м ( с градацией 0,5 м)

Пиломатериалы поставляются шириной от 6 до 250 мм, толщиной 16-250мм, длиной 2-6,5м. Также фанеру (марки ФСФ или ФБС) толщиной 8,9,10,12,15мм.

Древесина подразделяется на 3 сорта, наиболее качественная отнесена к 1 сорту.

На участках, ограниченных расчетными сопротивлениями, работа древесины может считаться упругой.

σ

R_ч=100МПа

растяжение

R_ч=44МПа

сжатие

ξ

Приведенная диаграмма показывает работу древесины сосны при растяжении и сжатии вдоль волокон. Расчетные сопротивления вдоль волокон R_p принимаются значительно ниже расчетных сопротивлений чистой древесины, т.к. особенно растянутые элементы весьма чувствительно реагируют на качество древесины и наличие пороков. Кроме того, учитывается размер сечения элементов, т.к. чем меньше элемент, тем больше повреждаются волокна при распиле.

Для обозначения расчетных сопротивлений древесины при работе поперек направления волокон вводится индекс «90». Например, R_см,90

В случае применения древесины других пород расчетные сопротивления необходимо умножать на переходной коэффициент (табл.4 СНиП II-25-80)

Модуль упругости древесины вдоль волокон Е = 10000 МПа.

Железобетон

Является комплексным стройматериалом, в котором совместно работают бетон и стальная арматура.

Бетон – различают:

· тяжелый, средней плотности 2200-2400 кг/м³

· мелкозернистый, средней плотности свыше 1800 кг/м³

· легкий

· ячеистый

· специальный (напрягающий)

Основным показателем качества бетона является класс прочности на сжатие, который устанавливается на основании испытания бетонных кубиков в возрасте 28 суток.

Для ж/б конструкций не допускается применять тяжелый и мелкозернистый бетон ниже класса В7,5; легкий бетон ниже В3,5. Большинство несущих конструкций выполняется из тяжелого бетона В15 –В35. Бетон под нагрузкой работает упруго-пластично, т.е. в бетоне возникают и упругие и пластические деформации. На сжатие бетон работает значительно лучше, чем на растяжение. На приведенной диаграмме справа отложена работа на сжатие, а снизу – сопротивление растяжению.

Расчетное сопротивление бетона для расчета по первой группе предельных состояний определяют делением нормируемого сопротивления на соответствующий коэффициент надежности по бетону. Расчетное сопротивление бетона осевому сжатию:

R_b= R_bn/γ_bc.

Расчетное сопротивление бетона осевому растяжению: R_bt= R_btn/γ_bt. При расчете элементов конструкций расчетное сопротивление бетона R_b и R_bt уменьшают, а в отдельных случаях увеличивают умножением на соответствующий коэффициент условий работы бетона. Модуль упругости бетона зависит от класса бетона и способа твердения .

Расчетное сопротивление бетона при расчете по второй группе предельных состояний устанавливают при коэффициенте надежности по бетону γ_b=1, т.е. применяют равными нормативным значениям R_bser= R_bn; R_btser= R_btn и вводят в расчет коэффициент условий работы бетона γ_bi = 1 за исключением некоторых случаев, установленных нормами. Коэффициент условий работы бетона учитывает особенность свойств бетона, длительность действия нагрузки и многократное повторение.

Арматура

Принимается взависимости от типа конструкции и условий эксплуатации здания. В качестве ненапрягаемой арматуры следует применять стержневую арматуру класса Ат- IVC для продольной арматуры, стержневую арматуру класса А- IIIC и А- III - для продольной и поперечной арматуры, арматурную проволоку класса Вр-1 для поперечной и продольной арматуры, стержневую арматуру классов А1, АII, AcII для поперечной арматуры. Все перечисленные классы рекомендуется применять в ввиде сварных каркасов и сеток.

Пластические свойства арматурной стали характеризуются относительным удлинением при ее испытании на длительные деформации удлинения

Пределом текучести (физическим) σ_т называется напряжение, при котором в материале начинают интенсивно накапливаться остаточные (пластические) деформации, причем этот процесс идет при практически постоянном напряжении.

При отсутствии площадки текучести (см. рисунок) определяют условныйпредел текучести.

Основные механические свойства сталей характеризуются диаграммой «напряжения—деформации», получаемой путем испытания на растяжение стандартных образцов. Все арматурные стали по характеру диаграмм «s-e» подразделяются на:

1) стали с явно выраженной площадкой текучести (мягкие стали);

2) стали с неявно выраженной площадкой текучести (низколегированные, термически упрочненные стали);

3) стали с линейной зависимостью «s-e» почти до разрыва (высокопрочная проволока).

Основные прочностные характеристики:

для сталей вида 1 — физический предел текучести s_у;

для сталей видов 2 и 3— условный предел текучести s_0,2, принимаемый равным напряжению, при котором остаточные деформации составляют 0,2 %, и условный предел упругости s_0,02, при котором остаточные деформации 0,02 %.(см. рис)

Нормативное сопротивление арматуры R_sn устанавливают с учетом статистической изменчивости прочности и принимают равным наименьшему контрольному значению следующих величин: для стержневой арматуры – физический предел текучести σ_ц или условного предела текучести σ_0,2. Для проволочной арматуры условного предела текучести σ_0,2=0,8σ_u. Расчетное сопротивление арматуры растяжению определяется R_s= R_sn/γ_s, γ_s – для предельного состояния 1 группы γ_s=1,05-1,2.

Расчетное значение сопротивление арматуры сжатию R_sc принимают равным расчетному значению сопротивления арматуры растяжению R_s, но не более значений, отвечающих деформациям бетона, окружающих сжатую арматуру. По аналогии с бетоном расчетное сопротивление арматуры умножают на коэффициент условий работы γ_si.

По аналогии с бетоном при расчете 2 группы предельных состояний γ_s=1, т.е. R_s,ser=R_sn

Модуль упругости арматуры Е_s = (17 ÷ 21) ^. 10⁴ МПа

Каменная кладка

Прочность каменной кладки зависит от прочности камня (кирпича) и раствора. Для кирпичной кладки применяют следующие виды кирпичей: глиняные пластического прессования, глиняные полусухого прессования, силикатные. Могут быть полнотелыми и пустотелыми, одинарными и полуторными. Для кирпичной кладки применяют цементные и цементно-известковые растворы, в которых известь повышает пластичность раствора.

Испытание кирпичной кладки выполняют на кирпичных столбиках, расчетные сопротивления сжатию приводятся в табл.2 СНиП II-22-81, которые зависят от марок кирпича и раствора. Например,

R = 2,2 МПа для марки кирпича М150 и марки раствора М100. Каменная кладка плохо работает на растяжение и подобная работа встречается нечасто, поэтому расчетные сопротивления мы не приводим.

Расчетное сопротивление кладки сжатию умножается на коэффициент условия работы, который равен 0,8 для столбов площадью сечения 0,3 м² и менее.

Задача1

Найти расчетные сопротивления сжатию следующих материалов

Задача 2

Для этих же материалов найти расчетные сопротивления растяжению.

Задача 3

Составить сравнительную таблицу расчетных сопротивлений рассмотренных материалов на растяжение

Литература: В.И. Сетков «Строительные конструкции»,М.,

ИНФРА-М,2009, с. 65-84