4 Механические свойства строительных материалов. Нагрузки. Деформации и напряжения. Механика твердых тел.

Механические свойства. Нагрузки.Строительные материалы и конструкции подвергаются различным внешним силам – нагрузкам, которые вызывают в них деформации и внутренние напряжения. Нагрузки делятся на статические, действующие постоянно, и динамические, которые прикладываются внезапно и вызывают силы инерции. На статические нагрузки рассчитываются здания и сооружения промышленного и гражданского строительства. Это нагрузки от оборудования, мебели, людей, самих конструкций и т.д. Нагрузки, преимущественно динамического характера, образуются от природных катастроф (землетрясения, ураганы, наводнения, селевые потоки, оползни и др.), а также от аварий на предприятиях (взрывы, удары).

Деформации и напряжения. Упругостью твердого тела называют его свойство самопроизвольно восстанавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия внешней силы. Пластичностью твердого тела называют его свойство изменять форму или размеры под действием внешних сил, не разрушаясь, причем после прекращения действия силы тело не может самопроизвольно восстанавливать свои размеры и форму, и в теле остается некоторая остаточная деформация, называемая пластической деформацией.Напряжение – мера внутренних сил, возникающих в деформируемом теле под воздействием внешних сил. Прочность – свойство материалов сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, вызванных внешними силами или другими факторами (стесненная усадка, неравномерное нагревание и т.п.). Прочность материала оценивают пределом прочности (временным сопротивлением) R, определенным при данном виде деформации.

Предел прочности при осевом сжатии R_сж (МПа) равен частному от давления разрушающей силы Р_раз на первоначальную площадь поперечного сечения образца (куба, цилиндра, призмы):

Предел прочности при осевом растяжении Rр (МПа) используется в качестве прочностной характеристики стали, бетона, волокнистых и других материалов. В зависимости от соотношения R_P / R_сж можно условно разделить материалы на три группы: материалы, у которых R_P > R_сж (волокнистые – древесина и др.); R_р примерно равно R_сж (сталь); R_р < R_сж (хрупкие материалы – природные камни, бетон, кирпич.

Предел прочности при изгибе R_изг (МПа) определяют путем испытания образца материала в виде балочек на двух опорах. Их нагружают одной или двумя сосредоточенными силами до разрушения. Предел прочности при изгибе определяют по формулам: (при одном сосредоточенном грузе), и (при двух симметричных равных грузах), где l – расстояние между опорами, см; b, h – соответственно ширина и высота поперечного се­чения образца, см; P – разрушающая нагрузка, кг.

Ударной вязкостью (динамической или ударной прочностью) называют свойство материала сопротивляться разрушению при ударных нагрузках. Твердостью называют свойство материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого тела.

Истираемость оценивают потерей первоначальной массы образца материала, отнесенной к площади поверхности истирания и вычисляют по формуле (г/см²) И=(т₁-т₂)/F,где т₁ и т₂ – масса образца до и после истирания.

Износом называют свойство материала сопротивляться одновременному воздействию истирания и ударов. Износ определяют на образцах материалов, которые испытывают во вращающемся барабане со стальными шарами или без них. Показателем износа служит потеря массы пробы материала в результате проведенно­го испытания (в % от первоначальной массы).

Механика разрушения твердых тел. Различают хрупкое и пластическое разрушение твердых тел. Хрупкое разрушение сопровождается малой предшествующей пластической деформацией, поэтому хрупкость определяют как свойство материала разрушаться "внезапно", не претерпевая су деформации.

Хрупкое разрушение происходит в результате образования и быстрого роста одной или нескольких трещин при возрастающей нагрузке.