Навигация:
ГлавнаяВсе категории → Разрушение зданий

Стали 20 века


Стали 20 века

До самого последнего времени в строительстве применялись в основном мягкие, низкоуглеродистые стали типа болгарской арматурной стали класса A-I. Верхняя граница практически целесообразного их сопротивления — это предел текучести. Так как рабочий участок графика а—е является почти линейным, здесь в силе закон Гука о соответствии между напряжениями и деформациями. Поэтому достаточно знать величину одной из двух характеристик, чтобы найти величину другой. Следует заметить, что подобная ясность и “чистота” поведения присуща только сталям. Позже мы еще увидим, что графики работы других строительных материалов сильно отличаются от такой пррстой и ясной схемы пропорциональности, как график а-е для сталей, ужасающим образом выходя за рамки области, на которую распространяется закон Гука. Сталь – единственный материал, приближающийся по своим свойствам к однородной и упругой модели твердого тела, которой обычно оперирует строительная механика.

Чтобы в сечении возникли напряжения 2100 кг/м2 (таково расчетное сопротивление стали класса A-I),- согласно закону Гука, должна реализоваться деформация 0,001 (0,1%). Это значит, что каждый метр элемента должен удлиниться на 1 мм. Подобная незначительная деформация вполне приемлема в практике строительства. Вообще необходимо отметить, что деформации в строительных конструкциях в принципе очень малы, просто несоизмеримы с размерами конструктивных элементов.

Мерилом твердости материала является его линейный модуль упругости. Он выражается как тангенс угла между отрезком “0-а” и горизонтальной осью графика а—е (см. рис. 6). С физической точки зрения этот модуль означает напряжение – условное напряжение, которое возникает в материале, когда образец вдвое увеличивает свою длину. С математической точки зрения это просто коэффициент пропорциональности в формуле закона Гука, которая представлена на рис. 6.
Линейный модуль упругости строительных сталей приблизительно равен 2 млн. кг/см2. Сталь в наибольшей степени отвечает требованиям прочности и твердости. Но если вариантов по твердости не так уж много, то с прочностью дело обстоит гораздо сложнее.

Существует достаточно много видов современных строительных сталей. До этого мы говорили о самом распространенном из них, возможности которого наиболее ограничены. Достаточно, например, повысить содержание углерода до 0,3%, чтобы качества стали существенно изменились. Так как мы уже умеем разбираться в “паспорте” материала – в его графике а—е, мы сможем почерпнуть необходимую информацию на рис. 7. Поведение такой стали там показано линией II. Как можно видеть, линейная зависимость между напряжениями и деформациями здесь сохраняется до гораздо более высокого предела, чем у мягких сталей (линия I). Площадка текучести не только значительно выше расположена, но и менее ярко выражена. Это значит, что такие стали, которые называются низколегированными, менее пластичны, чем мягкие. Например, арматурная сталь класса А-Н имеет расчетное сопротивление 2700 кг/см2, а сталь класса А-Ш – 3600 кг/см2.

Рис. 7. Сравнение рабочих диаграмм мягкой, низколегированной и высокопрочных сталей. Площадка текучести постепенно исчезает, а в зоне малых, конструктивно целесообразных деформаций сопротивления продолжают нарастать

Столь значительные сопротивления реализуются при соответствующих деформациях 0,13 и 0,18%. А поскольку напряжения разрушения равны соответственно 5000 и 6000 кг/см2, сталь класса А-11 используется приблизительно на 55% своих предельных возможностей, а арматурная сталь класса А-Ш — приблизительно на 60%. Этот важный показатель использования возможностей материала для арматурной стали класса A-I едва достигает 50%. Очевидно, что у низколегированных сталей не только выше расчетное сопротивление, но в этом случае значительно полнее используются и прочностные резервы материала.
Среди довольно широкого ассортимента строительных сталей специальные высокопрочные стали являются своего рода “аристократией”. Они находят применение главным образом в предварительно напряженных конструкциях, и их сопротивление действительно весьма внушительно – в 5-10 раз больше, чем у вышеупомянутых сталей. В качестве примера рассмотрим высокопрочную проволоку диаметром 2,5 мм, При расчетных напряжениях 11 000 кг/см2 напряжения разрушения составляют около 16 000 кг/см. Если теперь мы разделим одно число на другое, то увидим, что в строительстве непосредственно используется приблизительно 70% предельных возможностей материала. Это уже такой результат, который достоин уважения, К лучшему вряд ли следует стремиться, так как иначе может пострадать надежность, являющаяся гарантией против внезапного разрушения. Объяснение этому мы сможем получить из рис. 7.

Линией III показана зависимость о-е для подобной высокопрочной стали, Она коренным образом отличается от “поведения” мягких и низколегированных сталей. Площадка текучести полностью отсутствует; длинный, почти линейный график внезапно обрывается в точке разрушения материала – хрупкого разрушения.

Для характеристики этого явления приведем пример из прошлого. Год 1891. Место действия – Англия, станция Норвуд на железнодорожной линии Лондон – Брайтон. В этом месте был построен широкий железнодорожный путепровод с пролетом 9 м, по которому проходило семь рельсовых путей. Утром 1 мая по путепроводу в Норвуд с обычной скоростью 65 км/ч промчался почтовый поезд из Лондона, Его хвостовой вагон уже подтягивался к последней промежуточной опоре, когда вдруг с грохотом разорвалась одна из двух чугунных балок под железнодорожной колеей. Два четырехметровых обломка упали на дорогу, которая, к счастью, была пуста, а другие угрожающе повисли, неизвестно на чем держась. Состав сошел с рельсов, но все же успел миновать последний участок путепровода, не перевернувшись на крутой склон насыпи. Хвостовой вагон устоял на опоре, сильно наклонившись к пропасти и удерживаясь только благодаря зацепляющему устройству.

Разрушившаяся чугунная балка была в эксплуатации уже 31 год. После катастрофы в области разрыва был обнаружен пористый участок, оставщийся еще с того времени, когда отливалась балка. Тяжелые условия эксплуатации послужили причиной процессов, которые постепенно подрывали несущую способность элемента, подготавливая последовавшее за этим событие. Эта катастрофа вызвала большое волнение в инженерном мире Англии того времени. Из 9576 находящихся в эксплуатации мостов 2828 были чугунными. Перспектива их разрушения после примера с мостом в Норвуде была достаточно реальной, и потому было принято решение о срочной их замене.

Эта катастрофа в сотый раз доказала, что чугун – хрупкий и чувствительный к ударам материал – не подходит для строительства мостов, особенно мостов железнодорожных. Впрочем, с 1883 г. его применение для подобных целей в Англии было запрещено.

В принципе существует два вида разрушения материала – хрупкое и пластичное. Хрупкое разрушение обусловлено сцеплением между частицами; когда внешнее воздействие превосходит силы сцепления, материал внезапно разрывается. Пластичное разрушение предполагает такое сильное сцепление, что частицы материала раздвигаются, взаимно перемещаются и только потом разделяются. Именно такое взаимное смещение частиц является причиной большой деформируемости и пластичности мягких сталей. В силу обстоятельства мы вынуждены работать с расчетным сопротивлением, не превышающим предел текучести, но если в действительности конструкция окажется в состоянии перегрузки (в случае некой аварийной ситуации), она не разрушится внезапно.’ Напряжения сначала достигнут предела текучести, сталь начнет “течь” и сильно деформироваться. Конструкция провиснет, искривится, станет аварийной, неиспользуемой, но разрушения в буквальном смысле слова, по-видимому, вообще не произойдет.

Коренным образом отличное от описанного выше и гораздо более опасное положение складывается при применении хрупких материалов, таких,как все легированные и высокопрочные стали, Отсутствие предела текучести, по существу, лишает нас сигнала о том, что напряжения опасно возросли. При слабой деформируемости этих сталей разрушение наступает внезапно, без видимых внешних причин.

Заслуживает внимания тот факт, что один и тот же материал может разрушаться и хрупко, и пластично. Например, мягкие стали при низких температурах, при систематическом динамическом воздействии или при сложных конструктивных формах, которые ограничивают возможности взаимного смещения кристаллов в металле, могут разрушаться внезапно, т.е. хрупко. Поэтому конструктор обязательно должен иметь в виду все эти особенности условий эксплуатации. В противном случае конфликт может завершиться победой внешних сил. А это значит, что катастрофа неминуема...

Дальше мы часто будем говорить о том, что материал “работает” или что конструкция “работает”, Ставить кавычки в дальнейшем нет надобности, потому что это действительно так, Коль скоро мы говорим о напряжениях и деформациях, или о силах и перемещениях, очевидно, речь идет и о работе, ибо, как нам известно, работа есть произведение силы на величину перемещения точки ее приложения (в направлении действия силы). Если мы представим себе стальной прут с поперечным сечением 1 см2 и длиной 1 м, на котором висит груз 2 т, то деформация будет равна 0,1% (арматурная сталь A-I). Но в этом случае деформация идентична перемещению в 1 мм. Если мы умножим силу на величину перемещения точки ее приложения, то получим работу, которая совершается при деформации стального прута: 2000-0,001=2 кгм. Такую работу совершают и внутренние силы в пруте, сопротивляющемся деформации. Такую же работу совершаем и мы сами, перенося груз в 1 кг на расстояние 2 м. Приблизительно такую энергию выделяет и 1000-ваттная электроплитка’ за 5 ч работы.
Но в нашем случае энергия является потенциальной и своей величиной обязана деформации. Площадка на диаграмме 0-е, – в сущности, графическое выражение потенциальной энергии деформации материала, или — что то же самое — работы, которую должны совершить внешние силы, чтобы произошла деформация. Разумеется, в реальных конструкциях потенциальная энергия деформации несравнимо больше и по величине приближается к часовой производительности небольшой электростанции.





Похожие статьи:
Ураганные ветры и строительство

Навигация:
ГлавнаяВсе категории → Разрушение зданий

Статьи по теме:





Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум