Основы физики твердого тела для строителей

a0 alcrcv ;

a – защитный слой бетона;

l0 lcrcv h ;

s – напряжения в арматуре в момент времени, когда трещина

имеет длину lcrcv .

На первой стадии основной расчетной характеристикой является момент образования трещин нормального отрыва Mcrcv .

Текущее значение М для первой стадии должно быть:

где Wred – приведенный момент сопротивления; lbg – единичная длина трещины.

На второй стадии текущее значение находится в пределах

где Mcrcv – внешний момент при образовании трещин сдвига.

Третья стадия характеризуется началом процесса интенсивной деструкции бетона и деформацией арматуры, приводящим в дальнейшем к понижению несущей способности элемента.

Расчетной характеристикой этой стадии является максимальная несущая способность нормального сечения железобетонного элемента. Данную стадию можно охарактеризовать как предельное

316

состояние железобетонного элемента по его максимальному энергетическому ресурсу (рис. 13.5):

где lcrch , acrch – параметры трещины поперечного сдвига; hw – шаг хомутов;

317

lcrch h ;

xi – расстояние до крайнего сжатого волокна железобетонного элемента до трещины поперечного сдвига;

Рис. 13.5. Нормальное сечение железобетонного изгибаемого элемента на стадии 3

Четвертая стадия – это стадия полного исчерпания энергетического ресурса железобетонного элемента (рис. 13.6).

На этой стадии трещина поперечного сдвига первого уровня достигает своей критической длины и отслаивает от сжатой зоны бетона пласт толщиной xi. Затем в пределах высоты сжатой части сечения х – xi на расстоянии xi+1 от верхней плоскости элемента в объеме, где формируется зона предразрушения и старта новой трещины и G = GIIi, возникает новая горизонтальная трещина и т.д.:

318

319

Рис. 13.6. Нормальное сечение железобетонного изгибаемого момента в стадии IV:

а –IV – 1; б – IV – 2

320

Разрушение нормального сечения может произойти и при исчерпании энергетического ресурса в растянутой арматуре. При этом ее класс для недопущения образования макротрещин в стержнях подбирается по значению

Длина и ширина отрывных трещин определяются по формулам

321

и параметры трещин сдвига

Здесь отметим, что бетон и железобетон – материалы, наличие трещин в которых предопределено самой сущностью их работы под нагрузкой. Поэтому именно для них наиболее целесообразно применить методы механики разрушения.

Таблица 13.1

Энергетические параметры трещиностойкости тяжелого бетона в зависимости от его прочности

322

Контрольные вопросы

1.Что понимают под железобетоном?

2.На чем базируется энергетический подход, применяемый для оценки напряжений и деформаций растянутой арматуры в сечении с трещиной?

3.Какова физическая модель железобетонного элемента, построенная Пирадовым К.А. и Гузеевым Е.А.?

4.Назовите три основных типа трещин, возникающих в конструкции из железобетона при внешнем силовом воздействии.

5.Каков критерий энергетического состояния бетона на стадии упругой работы сечения до образования магистральной трещины нормального отрыва?

6.Чем характеризуется 3-я стадия напряженно-деформированного состояния железобетонного элемента?

7.По какой формуле можно рассчитать предельное значение коэффициента интенсивности напряжений с учетом ширины элемента b для трещин типа «V».

14.ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОНТРОЛЯ

ИПРЕДОТВРАЩЕНИЯ РАЗРУШЕНИЯ

Технический контроль существует с незапамятных времен. Его можно разделить на два вида: с разрушением и без разрушения. Разрушающий контроль, при котором из партии серийно изготовленных деталей выбирают несколько образцов и подвергают их всесторонним исследованиям (прочностным, металлографическим

ит.д.), достался современной технике в наследство от прошлых времен. Здесь «работает» теория вероятности. Но она является инструментом инженера и ученого, исследующих общую перспективу технологии. Ра-ботник же технического контроля, стоящий у заводского конвейера, должен быть вооружен техническими средствами, с помощью которых он может в общем потоке деталей выявить весь брак без исключения. Иногда сложный

идорогостоящий технический объект оказывается выведенным из строя из-за внутреннего порока одной из самых, казалось бы, незначительных деталей. Известен случай неудач-ного запуска спутника Земли (американского), когда причиной аварии была

323

недоброкачественность металла в одной из пружинок реле. В современном тепловом энергоблоке мощностью 800 тыс. кВт имеется более ста километров котельных труб, и любой ненадежный сан-тиметр этих труб может вывести из строя весь энергоцентр. Вот почему вопросы прочности, надежности и неразрушающих методов контроля в настоящее время поставлены рядом.

В самом деле, давайте проследим, где формируется прочность изделия в машиностроении, в гражданском строительстве, да и вообще в тех случаях, когда прочность и надежность стоят на первом плане. Не касаясь вопросов конструктивного несовершенства, следует иметь в виду, что на всех стадиях технологического процесса возможны отклонения от оптимальных режимов, вследствие чего возникает брак изделий. Изделию угрожают:

брак металлургического происхождения: несоответствие химического состава, неметаллические включения, газовые поры и т.д.;

дефекты, возникающие в процессе сварки: сварочные трещины, непровары;

дефекты пластической деформации: трещины, расслоения, заковы, волосовины и т.д.;

дефекты термической и химико-термической обработки: отклонения от заданной толщины цементации, несоответствие структуры, пятнистость структуры и т.д.;

дефекты механической обработки: подрезы, шлифовочные трещины и т.д.;

дефекты правки и монтажа: рихтовочные, монтажные трещины, риски и забои, надрезы от ударных клейм;

дефекты, возникающие в процессе эксплуатации. Тут разговор особый. Ведь эксплуатация сопровождается ремонтом, и ожидать можно всего. Многое зависит и от материала изделия, и от режима эксплуатации. «Классическими» здесь считаются усталостные повреждения.

Выше приведены лишь отдельные виды дефектов, но их гораздо больше, причем все они должны быть выявлены (или доказано их отсутствие). Создание методов и средств получения многоэлементной информации с высокой скоростью ее обработки составляет сущ-ность проблемы неразрушающего контроля.

324

Особенно важное значение приобретает применение этих методов для контроля технологических процессов на производстве при отработке оптимальных технологических режимов с целью предупреждения брака. Представим себе такой цикл: контролирующий прибор замечает брак, определяет его причину и подает команду на пульт управления режимом производства – брака нет. Это так называемый активный контроль.

Выше говорилось о необходимости неразрушающего контроля и его экономической привлекательности. А что лежит в его основе? Физические основы методов неразрушающего контроля – взаимодействие проникающего в контролируемую деталь какого-либо физического поля с последующим его анализом. Все современные виды неразрушающего контроля можно разделить на несколько групп.

14.1.Просвечивание

Вгруппу контроля просвечиванием входят методы, использующие рентгеновские лучи, -, -, - и нейтронное излучение, а также инфракрасный свет, который успешно используется для оценки качества полупроводниковых приборов.

Выбор излучения определяется прозрачностью контролируемой детали для данного вида излучения. Например, рентгеновские установки, рассчитанные на напряжение до 400 кВ, эффективно просвечивают стальные детали и заготовки толщиной до 100 мм. Более жесткие лучи (и более остро направленные) получают с помощью ускорителя электронов бетатрона. Такое излучение позволяет стереоскопическое просвечивание. Говоря о взаимодействии излучения с веществом, имеют в виду такие явления, как отражение, преломление, поглощение. Каждое из них регистрируется глазом-индикатором (флуоресцентный экран, фотопленка, счетчик элементарных частиц и т.д.).

Большинство полупроводниковых материалов, начиная с кремния, германия и кончая интерметаллическими соединениями, прозрачны в определенных диапазонах для инфракрасных лучей. Например, чистый кремний прозрачен в области 1,5 мкм, германий

– в области 2,5–3 мкм, соединение индий-арсениум – в области 4 мкм и т.д. Благодаря малой длине волны этих лучей может быть

325