Строительные конструкции

Раздел: Строительство

Металлические строительные конструкции изготовляют из сталей или алюминиевых сплавов. Поведение металла в конструкции определяется его механическими свойствами: а) прочностью, б) упругостью, в) пластичностью, г) хрупкостью, д) выносливостью.

1. Прочность, упругость, пластичность. Показатели, характеризующие первые три свойства, выявляются при испытании образцов металла на разрыв ( 4.1). Предел прочности (или временное сопротивление) овр— эти наибольшее напряжение, после достижения которого материал начинает разрушаться. Упругостью называется свойство материала восстанавливать свою первоначальную форму после снятия внешней нагрузки. Упругость характеризуют: а) предел пропорциональности Оцц (равный наибольшему напряжению, при котором еще справедлив закон Гука

Пластичностью (или статической вязкостью) называют свойство материала получать остаточные деформации после снятия внешней нагрузки. Чем больше эти деформации, тем больше пластичность. Это свойство характеризуют: а) полное остаточное удлинение еп, замеренное после разрушения образца; б) предел текучести от — напряжение, при котором материал «течет». Диаграмма растяжения для сталей с высоким содержанием углерода, для алюминиевых сплавов и для многих низколегированных сталей отличается полным или почти полным отсутствием площадки текучести. Для этих материалов предел текучести условно определяется как напряжение, при котором образец получает остаточное удлинение п 0,2% первоначальной длины.

Пластичность материала характеризует и проба на загиб в холодном состоянии на 180° (вокруг оправки, диаметр которой указан в ГОСТе на соответствующую марку стали). Проба считается успешной, если полоса при загибе на 180° не получила трещин, надрывов или расслоений.

2.         Пластическое и хрупкое разрушения. Пластическое (вязкое) разрушение наступает после больших деформаций (до 25% первоначальной длины элемента). Это чрезвычайно важно для практики — задолго до разрушения сооружение получает настолько большие пластические деформации, что они становятся заметными на глаз, и есть время усилить слабое место.

Гораздо опаснее хрупкое разрушение — материал разрушается внезапно, без видимых деформаций. Хрупко- етью называется способность материала разрушаться, при ничтожных деформациях. Так разрушается стекло. Но, как показал опыт, в некоторых условиях даже очень пластичная сталь способна к хрупкому разрушению. В наблюдавшихся случаях хрупкого разрушения стальных резервуаров, мостов и стропильных ферм трещины возникали мгновенно; разрушение сопровождалось звуком, подобным выстрелу, и, как правило, происходило при понижении температуры.

Хрупкому разрушению стали способствуют: а) низкая температура; б) наличие концентраторов напряжений и объемных напряэюений; в) динамический эффект нагрузки; г) усталость; д) повышенная хрупкость некоторых марок стали; е) наклеп и старение.

Особенно большое значение имеет первый фактор. В сильные морозы на Крайнем Севере часто наблюдались случаи хрупкого разрушения конструкций из кипящей стали.

3.         Концентраторы напряжений. Если материал подвергается растяжению или сжатию по двум или по трем направлениям ( 4.2,6, в), говорят, что он находится в условиях сложного напряженного состояния. В клепаных сооружениях объемные напряжения возникают редко. В сварных конструкциях при наложении швов появляются усадочные напряжения. Эти напряжения вместе с напряжениями от нагрузки создают сложное напряженное состояние. Поэтому большая часть аварий в результате хрупкого разрушения произошла со сварными сооружениями.

Опыты показывают, что в местах резкого изменения формы сечения (надрезы, выточки, уширения), в местах нарушения сплошности материала (отверстия, трещины, газовые пузыри) и около повреждений поверхности стержня (например, ржавчиной) возникают местные неравномерные напряжения ( 4.2,г). Эти неравномерности в распределении напряжений называются концентрациями (т.е. сгущениями) напряжений. Все факторы, вызывающие развитие местных неравномерных напряжений, называются концентраторами напряжений. Местные напряжения около концентраторов превосходят средние напряжения в 2—3 (см.  4.2,г), а иногда в 6—9 раз. Чем острее надрез, чем резче изменяется сечение, тем больше пики концентраций напряжений. Около концентраторов напряжений неизбежно возникает плоское напряженное состояние и, следовательно, опасность хрупкого разрушения.

Резко увеличивается опасность хрупкого разрушения при динамической и вибрационной нагрузках.

Хрупкость существенно зависит от химического состава стали и способа ее разливки. С увеличением содержания серы, фосфора, углерода и кремния повышается склонность стали к образованию трещин и внезапному разрушению. Так называемая «кипящая» сталь (см. ниже, § 2 п. 5) хуже «спокойной». Имеет значение также толщина проката. Чем толще сталь, тем выше ее склонность к хрупкому разрушению. Это свойство объясняется главным образом особенностями технологического процесса прокатки стали больших толщин (более высокая температура е конце прокатки).

Показателем, характеризующим хрупкость металла, является ударная вязкость — работа, затраченная на маятниковом копре для разрушения специального стандартного образца. Чем больше ударная вязкость, тем меньше хрупкость материала. Ударная вязкость уменьшается при понижении температуры, а также после наклепа и старения.

4. Выносливость. Многие конструкции испытывают воздействие повторяющейся нагрузки (мосты, подкрановые балки, балки под моторы и вентиляторы и т.д.). Опыт показывает, что при длительном воздействии повторяющихся нагрузок конструкции иногда разрушаются даже при напряжениях, меньших, чем многократно возникавшие ранее напряжения. Разрушение всегда происходит внезапно, без видимой деформации, т.е. носит хрупкий характер, хотя материал может обладать прекрасными пластическими свойствами и хорошей ударной вязкостью. Исследования показали, что внезапность разрушения при действии переменных нагрузок только кажущаяся. Сначала в металле возникает трещина, которая является концентратором напряжений и поэтому постепенно проникает в глубь материала. По мере развития трещины поперечное сечение ослабляется все сильнее и, наконец, происходит разрушение. Разрушение при действии переменных напряжений в результате постепенного развития трещины называется усталостью материала. Способность металла сопротивляться разрушению от усталости называется выносливостью. Выносливость зависит от числа циклов нагрузки, от величин наименьшего и наибольшего напряжений цикла и от величины концентраций напряжений. Характеризуется она величиной предела выносливости. Пределом выносливости ав.б называется наибольшее напряжение, при котором материал выдерживает без разрушения заданное число циклов (например, два миллиона циклов) нагрузки.

Если наибольшие напряжения цикла превосходят предел текучести (что может быть около концентраторов напряжений), то разрушение наступает быстро, после нескольких тысяч, а иногда даже сотен циклов. Это явление называется разрушением от малоцикловой усталости.

5. Наклеп и старение. Если образец стали растянуть выше предела его упругости до напряжения о0 ( 4.3,а), а затем разгрузить, то появятся остаточные деформации До- Если через некоторое время этот образец снова загрузить, то работа его резко изменится: предел упругости возрастет— оупр =Оо, а удлинения при разрушении уменьшатся на величину предварительной вытяжки Ei=е—До- Таким образом, мы как бы получим другой материал с новыми свойствами (меньшей пластичностью и большей упругостью). Повышение предела упругости с одновременным увеличением хрупкости в результате предшествующей пластической деформации называется наклепом, или нагартовкой. На явлении наклепа основано получение упрочненных вытяжкой арматурных сталей, применяемых в железобетонных конструкциях.

Это же явление используют для упрочнения, или, как говорят «нагартовки», алюминиевых сплавов. Но в сварных стальных конструкциях, работающих в условиях низких температур, наклеп является отрицательным фактором, поскольку он повышает хрупкость. Однако практически его невозможно избежать: наклеп появляется при гибкс и правке элементов, прн резке на ножницах, по краям пробиваемых отверстий и т. п. — всегда, после того как материал испытал пластические деформации.

Старением называется изменение свойств материала с течением времени. При старении металлов перестраивается их структура, вследствие чего повышаются хрупкость, предел текучести и временное сопротивление (таким образом, влияние старения на механические свойства металлов во многом аналогично влиянию наклепа). Старению способствуют развитие пластических деформаций и температурные колебания. Там, где такие деформации возникают (при правке металла, около концентраторов напряжений), в результате старения значительно снижается сопротивление металла хрупкому разрушению. Искусственное старение заключается в пластическом деформировании и последующем небольшом нагреве, его используют иногда для упрочнения алюминиевых сплавов.