Прочность и напряжение в строительстве

 

 

Если сила действует на какое-либо тело, то это тело нагружено. Силы сцепления молекул внутри нагруженного тела (когезия) сопротивляются внешней силе. Чтобы все строительные конструкции могли выдержать действие на них внешних сил, они должны иметь соответствующую прочность.

Под ПРОЧНОСТЬЮ понимают силу тела, которая противодействует изменению формы и разрушению этого тела внешней силой.

При действии внешней силы, например силы растяжения стального каната, тело будет находиться в напряженном состоянии, т.е. в состоянии внутреннего сопротивления разрыву. Оно тем больше, чем меньше нагружаемая площадь. В случае, например, сжатия или растяжения это называется напряжением σ (произносится «сигма»).

Под НАПРЯЖЕНИЕМ понимают силу внутреннего сопротивления тела, отнесенную к площади его сечения.

Напряжение = сила/площадь поперечного сечения:

σ = F/A,

где:

F— в Н, мН;

А — в мм² или в м²;

σ — в Н/мм² или в МН/м².

 

Напряжение в теле увеличивается с увеличением внешней нагрузки. Если нагрузка на тело, а следовательно, и напряжение в нем будут слишком велики, то тело разрушится. Достигнутое при разрушении тела напряжение называют разрушающим напряжением.

Строительные материалы можно нагружать только до определенного напряжения. Его называют допустимым напряжением — σ_доп. ПО СООБРАЖЕНИЯМ БЕЗОПАСНОСТИ СУЩЕСТВУЮЩЕЕ НАПРЯЖЕНИЕ В МАТЕРИАЛЕ (σ_сущ) ДОЛЖНО БЫТЬ МЕНЬШЕ ИЛИ РАВНО ДОПУСТИМОМУ НАПРЯЖЕНИЮ (σ_доп), т.е. σ_сущ ≤ σ_доп .

По виду нагрузки различают напряжения сжатия, растяжения, изгиба, среза, сдвига и кручения.

 

Сжатие в строительстве

 

Если фундамент нагружен, например, весом стены дома, то он должен воспринимать силы сжатия. В фундаменте возникают напряжения сжатия. Прочность на сжатие у различных материалов различна. Она увеличивается при увеличении плотности и вязкости материала. Для восприятия сжимающих усилий подходят такие материалы, как сталь, бетон, природный камень, стеновые камни и дерево. Высокую прочность на сжатие должны иметь в основном фундаменты, несущие стены, опоры и колонны. Напряжения сжатия, которые должны восприниматься основанием (грунтом), называют напряжением в грунте (рис. «Напряжение сжатия и силы на опорах»).

 

Растяжение в строительстве

 

Строительные конструкции, подверженные растяжению, это, например, анкеры растяжек, канаты растяжек, стальная арматура в железобетоне (рис. «Растягивающие напряжения на несущем канате висячего моста»). Для восприятия таких напряжений применяют в основном сталь и дерево. Бетон и каменные материалы, напортив, не подходят для восприятия растягивающих усилий. Если строительные конструкции подвергаются растяжению, то в их поперечном сечении возникают растягивающие напряжения. Если сечение ослаблено сверлениями, отверстиями для цапф и т.п., то при расчете напряжения необходимо исходить из минимальной площади материала в сечении.

 

Изгиб в строительстве

 

Если силы действуют на балку перпендикулярно ее длине, то балка подвергается изгибу, т.е. она прогибается. Балки, у которых сечение расположено большей стороной вверх, более прочны на изгиб и лучше несут нагрузку, чем те, у которых сечение расположено большей стороной горизонтально (рис. «Положение сечения балок»).

При изгибе на одной стороне сечения балки возникают сжимающие усилия, а на другой стороне — усилия растяжения. В середине балки растягивающие и сжимающие силы взаимно уничтожаются. Эту область сечения называют нейтральной зоной или нулевой линией (рис. «Силы растяжения и сжатия при изгибающей нагрузке балки»).

 

 

Работающими на изгиб являются, например, балки, перекрытия, ригели, перемычки и стропила. Они должны делаться из таких материалов, которые могут воспринимать растягивающие усилия. Так как бетон не может воспринимать растягивающие усилия, то в бетонных конструкциях предусматриваются стальные включения, там, где появляются растягивающие усилия (рис. «Стальная арматура в перекрытии, выступающем в виде консоли»).

 

Продольный изгиб в строительстве

 

Если колонны, стойки и раскосы нагружены по их длине сжимающей нагрузкой, то они могут изгибаться в сторону (рис. «Продольный изгиб в стойках»). При этом они ломаются при превышении напряжений прочности продольного изгиба.

Прочность на продольный изгиб зависит от материала конструкции, от формы поперечного сечения и от длины продольного изгиба. Нагруженными на продольный изгиб могут быть конструкции из стали, дерева, кирпичной кладки, армированного и неармированного бетона. Круглые и квадратные формы поперечного сечения конструкций являются наиболее целесообразными. Чем длиннее и тоньше, т.е. чем стройнее, стойка, тем быстрее она сломается под нагрузкой.

 

Срез в строительстве

 

Накладные соединения, как правило, подвергаются нагрузке на растяжение (рис. «Срез»). Появляющиеся при этом усилия могут срезать соединительный элемент, например болт, поперек его длины. Эти усилия называют усилиями среза, а их максимальное значение — прочностью на срез. Напряжения среза могут появляться в гвоздях, шурупах, болтах, заклепках и дюбелях.

 

 

Сдвиг в строительстве

 

Строительные конструкции, как, например, балки, ригели и перекрытия, при нагружении подвергаются не только изгибу, но и сдвигу. Если, например, положить три бруска друг на друга и нагрузить их на изгиб, то можно установить, что они сдвигаются относительно друг друга вдоль продольной оси по направлению к опорам. Если эти бруски склеить между собой и нагрузить их таким же образом, то сдвига этих брусков относительно друг друга не будет. При этом в клеевых соединениях возникают напряжения сдвига (рис. «Сдвиг»). В железобетонных балках для восприятия напряжений сдвига необходима особая арматура.

 

Кручение в строительстве

 

Если шуруп вкручивается в дерево, то вдоль оси шурупа действуют вращающие вправо вкручивающие силы и вращающие влево силы трения (рис. «Кручение»). Эти действующие в противоположном направлении силы нагружают шуруп на кручение. Кручение возникает во всех телах, которые должны передавать крутящий момент поперек своей продольной оси.

 

 

Опрокидывание и скольжение в строительстве

 

Если, например, подпорные стенки или стены нагружены силами, действующими сбоку, например давление земли, давление ветра или давление воды, то они не должны опрокидываться. Их устойчивость зависит от площади опорной части, от высоты и от собственного веса конструкции, а также от положения ее центра тяжести. Кроме того, под действием горизонтальных или наклонных сил такие конструкции не должны скользить по их основанию, например по грунту. Сила трения должна быть такой большой, чтобы конструкции не скользили (рис. «Опрокидывание и скольжение»).

 

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЕ ПОЧИТАТЬ: