Сжатый материал

Марина Анатолиевна Придатко

Эксперт по предмету «Архитектура и строительство»

Железобетон представляет собой уникальный материал, за счет сочетания свойств бетона и железа он хорошо работает и на сжатие, и на растяжение.

Сжатые железобетонные элементы

Производство зданий из бетона в промышленных масштабах началось еще в прошлом веке, когда производственная база была выстроена настолько полно, чтобы обеспечивать строительные площадки. Технология производства работ оттачивалась год от года, и сегодня продолжаются изыскания, эксперименты и опыты, позволяющие шире рассматривать возможности железобетона.

Это один самых востребованных материалов сегодня и ни одна строительная площадка не может обойтись без него. Одним из главных достоинств железобетона является то, что из него могут быть изготовлены все детали несущего каркаса здания, как сживаемые, так и изгибаемые элементы. В отличие от зданий из мелкоразмерных элементов, которые хорошо работают только на сжатие, а при растяжении рассыпаются на части, железобетон может применяться как в стенах, так и перекрытиях.

К сжатым железобетонным элементам относятся колонны, верхний пояс безраскосной фермы и стены, воспринимающие вертикальную нагрузку от вышележащих элементов.

Свойства железобетона при работе на сжатие:

При расчетах сжатые элементы делятся на центрально-сжатые и внецентренно- сжатые элементы. В первом случае сжимающие усилия приложены строго по оси элемента, во втором случае сжимающие усилия действуют с эксцентриситетом.

Эксцентриситет – это числовая характеристика, которая отражает разницу между серединой сечения и местом приложения нагрузки. При увеличении эксцентриситета растут и осевая нагрузка, и момент, и тем самым увеличивается изгиб колонны.

«Сжатые и изгибаемые железобетонные элементы» 👇

Рисунок 1. Пример внецентренно-сжатого железобетонного элемента. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Изгибаемые железобетонные элементы

Наравне со сжатыми, изгибаемые элементы столь же часто выполняют из железобетона. По этому принципу можно сравнивать железобетон и металл, оба материала работают на сжатие и изгиб и позволяют выполнить каркас единым.

На изгиб в железобетонном каркасе работают плиты перекрытия, балки, фундаментные балки, подкрановые балки, перемычки, ригели.

По способу производства элементы могут быть сборными (изготавливаются на заводе и доставляются на строительную площадку) или монолитными (бетон заливается в опалубку с установленной арматурой непосредственно на строительной площадке). Также практикую сборно-монолитные варианты, они предполагают, что часть конструкций устанавливается заранее и служит опалубкой для заливки раствора бетона.
Свойства железобетона на растяжение:

Рисунок 2. Пример растянутого железобетонного элемента. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Чтобы определить свойства бетона проводится ряд кратковременных разрушающих испытаний на контрольных образцах. Прочность на сжатие измеряется в трех видах, а именно кубиковая прочность, призменная прочность и прочность бетона в цилиндрах. Прочность на растяжение также делится на три вида – прочность при осевом растяжении образцов-восьмерок, прочность на растяжение при раскалывании образцов-цилиндров и прочность на растяжение при изгибе-образцов прим.

Объединение двух материалов позволяет рационально использовать достоинства каждого. Бетон принимает на себя сжимающие усилия, а арматура растягивающие. За счет этого достигается экономия дорогостоящего металла. Безусловно, железобетонные конструкции одни из самых массивных и тяжелых. При тех же показателях прочности элементы их дерева и металла будут намного компактнее в сечении. Но стоимость железобетонных конструкций в раз меньше, чем металлических, а срок службы выше, чем у деревянных.

Находи статьи и создавай свой список литературы по ГОСТу

Поиск по теме

Изучение поведения пластичных, хрупких и анизотропных материалов при сжатии

Испытанию на сжатие будут подвергаться образцы из малоуглеродистой стали, чугуна и дерева. Дерево как материал анизотропный, обладающий различными свойствами в различных направлениях, испытывается на сжатие вдоль и поперек волокон.

Сжатие пластичного материала

Цилиндрический образец малоуглеродистой стали устанавливается между параллельными плитами пресса и постепенно нагружается непрерывно возрастающей силой Р. Результаты испытания на сжатие можно представить в виде диаграммы сжатия (рис. 1а), построенной в координатах: сила сжатия Р и абсолютное укорочение Δl.

По внешнему виду диаграмма сжатия, как и для большинства пластичных материалов, примерно до предела текучести совпадает с диаграммой растяжения. Точка А диаграммы соответствует пределу пропорциональности материала, после которого отмечается небольшой участок, где наблюдается более быстрое возрастание деформаций. Однако выраженной площадки текучести для многих материалов не наблюдается. Вследствие этого для них за предел текучести принимается условное напряжение, при котором остаточная деформация составляет 0,2% от начальной высоты образца. При этом определение предела текучести осуществляется так же, как и в случае растяжения образца. В дальнейшем кривая идет круто вверх из-за увеличения площади поперечного сечения образца и упрочнения материала.

Увеличивающееся в процессе деформации поперечное сечение образца становится способным выдерживать все большую нагрузку. Образец принимает бочкообразную форму (из-за наличия сил трения на торцах образца) и может быть сплющен в тонкую пластинку, не обнаруживая признаков разрушения (рис. 1).

Рис.1 Диаграмма сжатия и характер разрушения образцов из малоуглеродистой стали

В некоторых случаях, при недостаточной пластичности материала, на боковой поверхности образца появляются мелкие трещины. Довести образец из пластичного материала до разрушения практически не удается. Опыт приходится остановить, не определив величины наибольшей разрушающей нагрузки.

Следовательно, предел прочности (временное сопротивление) при сжатии пластичных материалов не может быть определен. В этом случае обычно устанавливается только предел пропорциональности.

Следует отметить, что при сжатии стали предел пропорциональности σпц, предел текучести σт, модуль упругости Е приблизительно имеют такие же
значения, как и при растяжении. Поэтому стали на сжатие испытывают значительно реже, чем на растяжение. На практике схемы сжатия используют преимущественно в технологических пробах для оценки деформационной способности полуфабрикатов и изделий. С помощью проб по появлению трещин определяют годность или негодность материала после деформации сжатием на заданную величину.

Сжатие хрупкого материала

Цилиндрический образец чугуна (ho/do=1,5) после обмера устанавливается между плитами пресса и подвергается статическому нагружению. Диаграмма сжатия при этом будет иметь вид, показанный на рис. 2. Нетрудно заметить, что на диаграмме сжатия отсутствует прямолинейный участок. Разрушение происходит внезапно при нагрузке Рmах с появлением ряда наклонных трещин, направленных примерно под углом 45° к оси образца. Такой характер разрушения объясняется действием касательных напряжений, возникающих в наклонных площадках при сжатии.

Рис.2 Диаграмма сжатия и характер разрушения образцов из чугуна

Таким образом, при сжатии хрупких материалов и при их растяжении можно определить лишь предел прочности

Характер деформации образца и причины его разрушения для хрупкого материала во многом зависят от влияния сил трения между образцом и опорными поверхностями машины. Путем периодической парафиновой смазки торцов образца в процессе испытания можно практически полностью устранить силы трения. При этом образец в течение всего испытания не принимает бочкообразную форму, остается цилиндрическим и разрушается по плоскостям, параллельным диаметральной плоскости образца из-за недопустимо больших растягивающих деформаций.

Сжатие анизотропного материала

Для испытания изготавливаются образцы дерева кубической формы, которые испытывают вдоль и поперек волокон, что изображено на диаграмме рис. 3. Из диаграммы видно, что образец, испытанный вдоль волокон (кривая 1), до разрушения претерпевает сравнительно небольшие остаточные деформации. После достижения наибольшего значения сжимающей силы Рmах начинается разрушение образца с последующим падением нагрузки. В процессе разрушения дерево расслаивается, волокна отделяются одно от другого и переламываются, на боковой поверхности кубика образуются поперечные складки и продольные трещины.

Рис.3 Диаграмма сжатия и характер разрушения образцов дерева вдоль волокон

По результатам испытания определяется только предел прочности

При испытании на сжатие поперек волокон диаграмма имеет другой характер (кривая 2). Сначала линия диаграммы идет по наклонной прямой до нагрузки Рпц. Затем вычерчивается слабо изогнутая кривая (кубик быстро деформируется почти без увеличения нагрузки), которая, если древесина не имеет пороков, может пойти вверх после того, как образец будет достаточно спрессован.

Значительный рост деформации без увеличения нагрузки позволяет считать, что грузоподъемность образца уже исчерпана. Поэтому за разрушающую нагрузку Рmах(соответствующую пределу прочности σв) условно принимается
такая нагрузка, при которой кубик сжимается на 1/3 своей первоначальной высоты.

Прочность дерева при сжатии поперек волокон обычно в 8-10 раз меньше, чем вдоль волокон. Эти свойства дерева следует учитывать, располагая его так при проектировании конструкций, чтобы сжимающие усилия действовали по направлению наибольшего сопротивления, т. е. вдоль волокон.

В механике, сжатие — это приложение сбалансированных внутренних («толкающих») сил к различным точкам материала или конструкции, то есть сил без общей суммы или крутящий момент направлен так, чтобы уменьшить его размер в одном или нескольких направлениях. Этому противопоставляется натяжение или тяга, приложение уравновешенных внешних («тянущих») сил; и с срезающими силами, направленными так, чтобы смещать слои материала параллельно друг другу. Прочность на сжатие материалов и конструкций — важное инженерное соображение.

В одноосном сжатии силы направлены только в одном направлении, так что они действуют в направлении уменьшения длины объекта в этом направлении. Сжимающие силы также могут быть приложены во многих направлениях; например, внутрь по краям пластины или по всей боковой поверхности цилиндра, чтобы уменьшить его площадь (двухосное сжатие ), или внутрь по всей поверхности тела, чтобы уменьшить его объем.

В механической продольной волне или волне сжатия среда смещается в направлении волны, в результате чего возникают области сжатия и разрежения.

Эффекты

При сжатии (или любом другом виде напряжения), каждый материал подвергнется некоторой деформации, даже если она будет незаметной, что приведет к изменению среднего относительного положения его атомов и молекул. Деформация может быть постоянной или может быть обращена вспять, когда силы сжатия исчезнут. В последнем случае деформация вызывает силы реакции, противодействующие силам сжатия, и в конечном итоге может уравновесить их.

Жидкости и газы не могут выдерживать устойчивого одноосного или двухосного сжатия, они будут деформироваться быстро и необратимо и не будут оказывать постоянной силы реакции. Однако они могут выдерживать изотропное сжатие и могут мгновенно сжиматься другими способами, например, в звуковой волне.

Затягивание корсета применяет двухосное сжатие к талии.

Каждый обычный материал сжимается в объеме, когда подвергается изотропному сжатию, сжимается в площади поперечного сечения, когда подвергается однородному двухосному сжатию, и сжимается по длине, когда подвергается одноосному сжатию. Деформация может быть неоднородной и не соответствовать силам сжатия. Что происходит в тех направлениях, где нет сжатия, зависит от материала. Большинство материалов будут расширяться в этих направлениях, но некоторые специальные материалы останутся неизменными или даже сжимаются. В общем, связь между напряжением, приложенным к материалу, и результирующей деформацией является центральной темой механики сплошной среды.

Использование

Испытание на сжатие на универсальной испытательной машине

Сжатие твердых тел имеет многие значения в материаловедении, физике и проектировании конструкций, для сжатия дает заметные величины напряжения и растяжения.

С помощью сжатия можно измерить механические свойства, такие как прочность на сжатие или модуль упругости.

Компрессионные машины варьируются от очень маленьких настольных систем до систем с мощностью более 53 МН.

Газы часто хранятся и отправляются в сильно сжатой форме для экономии места. Слегка сжатый воздух или другие газы также используются для наполнения воздушных шаров, резиновых лодок и других надувных конструкций. Сжатые жидкости используются в гидравлическом оборудовании и в гидроразрыве.

В двигателях

В двигателях внутреннего сгорания взрывчатая смесь сжимается до возгорания; компрессия повышает эффективность двигателя. В цикле Отто, например, второй ход поршня вызывает сжатие заряда, который был втянут в цилиндр первым ходом вперед.

Паровые двигатели

Термин применяется к устройству, с помощью которого выпускной клапан паровой машины закрывается, перекрывая часть отработанного пара в цилиндр, прежде чем ход поршня будет полностью завершен. Этот пар сжимается при завершении хода, образуется подушка, по которой поршень работает, в то время как его скорость быстро уменьшается, и, таким образом, напряжения в механизме из-за инерции возвратно-поступательных частей уменьшаются. уменьшился. Кроме того, это сжатие предотвращает удар, который в противном случае был бы вызван подачей свежего пара для обратного хода.

Прочность на сжатие или прочность на сжатие — это способность материала или конструкции выдерживать нагрузки, стремящиеся к уменьшить размер, в отличие от того, который выдерживает нагрузки, имеющие тенденцию к удлинению. Другими словами, прочность на сжатие противостоит сдвигу, тогда как прочность на растяжение противостоит растяжению (растяжению). При исследовании прочности материалов прочность на растяжение, прочность на сжатие и прочность на сдвиг могут быть проанализированы независимо.

Некоторые материалы разрушаются на пределе прочности на сжатие; другие деформируются необратимо, поэтому данную величину деформации можно рассматривать как предел сжимающей нагрузки. Прочность на сжатие — ключевое значение при проектировании конструкций.

Измерение прочности на сжатие стального барабана

Прочность на сжатие часто измеряется на универсальной испытательной машине. На измерения прочности на сжатие влияют особый метод испытаний и условия измерения. Прочность на сжатие обычно указывается в соответствии с конкретным техническим стандартом.

Введение

Когда образец материала нагружается таким образом, что он расширяется говорят, что находится в напряжении. С другой стороны, если материал сжимается и укорачивается, говорят, что он находится в состоянии сжатия.

На атомном уровне молекулы или атомы при растяжении раздвигаются, тогда как при сжатии они прижимаются друг к другу. Поскольку атомы в твердых телах всегда пытаются найти положение равновесия и расстояние между другими атомами, во всем материале возникают силы, противодействующие как растяжению, так и сжатию. Поэтому явления, преобладающие на атомном уровне, подобны.

«Деформация» — это относительное изменение длины под действием приложенного напряжения; положительная деформация характеризует объект под растягивающей нагрузкой, которая имеет тенденцию к его удлинению, а сжимающее напряжение, которое укорачивает объект, дает отрицательную деформацию. Напряжение имеет тенденцию подтягивать небольшие боковые отклонения к выравниванию, в то время как сжатие имеет тенденцию усиливать такое отклонение до продольного изгиба.

Прочность на сжатие измеряется для материалов, компонентов и конструкций.

По определению, предельное сжатие Прочность материала — это значение одноосного сжимающего напряжения, которое достигается при полном разрушении материала. Прочность на сжатие обычно определяется экспериментально с помощью испытания на сжатие. Аппарат, использованный для этого эксперимента, такой же, как и при испытании на растяжение. Однако вместо приложения одноосной растягивающей нагрузки применяется одноосная сжимающая нагрузка. Как можно догадаться, образец (обычно цилиндрический) укорачивается, а также расширяется в стороны. Кривая напряжение-деформация строится прибором и будет выглядеть примерно так:

Кривая истинного напряжения-деформации для типичного образца

Эта линейная область заканчивается так называемым пределом текучести. Выше этой точки материал ведет себя пластически и не вернется к своей исходной длине после снятия нагрузки.

Существует разница между инженерным напряжением и истинным напряжением. По своему базовому определению одноосное напряжение определяется следующим образом:

Как указано, площадь образца изменяется при сжатии. Таким образом, в действительности площадь является некоторой функцией приложенной нагрузки, то есть A = f (F). Действительно, напряжение определяется как сила, деленная на площадь в начале эксперимента. Это известно как инженерное напряжение и определяется как:

Соответственно инженерная деформация будет определяться следующим образом:

где F = нагрузка, приложенная непосредственно перед дроблением, а l = длина образца непосредственно перед дроблением.

Отклонение инженерного напряжения от истинного напряжения

В практике инженерного проектирования профессионалы в основном полагаются на инженерное напряжение. На самом деле настоящий стресс отличается от инженерного. Следовательно, расчет прочности материала на сжатие по приведенным уравнениям не даст точного результата. Это связано с тем, что площадь поперечного сечения A 0 изменяется и является некоторой функцией нагрузки A = φ (F).

Таким образом, разницу в значениях можно резюмировать следующим образом:

Сравнение прочности на сжатие и растяжение

Бетон и керамика обычно имеют гораздо более высокую прочность на сжатие, чем на разрыв. Композиционные материалы, такие как композит на основе стекловолокна с эпоксидной матрицей, как правило, имеют более высокий предел прочности на разрыв, чем предел прочности на сжатие. Металлы трудно испытать на разрушение при растяжении и сжатии. При сжатии металл выходит из строя из-за коробления / крошения / сдвига под 45 градусов, который сильно отличается (хотя и более высокие напряжения) от растяжения, которое выходит из строя из-за дефектов или сужения.

Прочность бетона на сжатие

Для проектировщиков прочность на сжатие является одним из наиболее важных инженерных свойств бетона. Стандартной производственной практикой является классификация бетона по маркам. Этот класс — не что иное, как прочность на сжатие бетонного куба или цилиндра. Образцы куба или цилиндра обычно испытываются на машине для испытаний на сжатие, чтобы определить прочность бетона на сжатие. Требования к испытаниям различаются от страны к стране в зависимости от кода проектирования. Согласно индийским нормам, прочность на сжатие бетона определяется как

. Прочность бетона на сжатие дается в терминах характеристической прочности на сжатие испытанных кубов размером 150 мм. через 28 дней (fck). В полевых условиях испытания прочности на сжатие также проводятся временно, то есть через 7 дней, чтобы проверить ожидаемую прочность на сжатие, ожидаемую через 28 дней. То же самое делается для предупреждения о неисправности и принятия необходимых мер предосторожности. характеристическая прочность определяется как прочность бетона, ниже которой ожидается падение не более 5% результатов испытаний.

Для целей проектирования это значение прочности на сжатие ограничивается делением на коэффициент запаса прочности, значение которого зависит от используемой философии проектирования.