Динамические нагрузки в отличие от статических меняют свое значение, положение или направление в короткие промежутки времени (движущиеся нагрузки, ударные, сейсмические и др.), вызывая большие ускорения и силы инерции, что приводит к колебаниям конструкций и сооружений.
Повторно-переменными называются нагрузки, многократно (до нескольких миллионов раз) изменяющие со временем значение или значение и знак. Разрушение материала под действием таких нагрузок называется усталостным (например, разрушение куска проволоки от многократного перегибания, рис. 17), а способность противостоять ему— сопротивлением усталости.
По продолжительности действия нагрузки делят на постоянные и временные. К постоянным относятся нагрузки, действующие в течение всего времени существования конструкции или сооружения (например, вес несущих и ограждающих конструкций, вес и давление грунта).
Временные нагрузки действуют на протяжении отдельных периодов эксплуатации или возведения объекта. К ним относятся нагрузки от веса людей, материалов и оборудования; давление жидкостей, газов и сыпучих материалов в сосудах и трубопроводах; атмосферные нагрузки (снеговая, ветровая, гололедная); температурные, монтажные, сейсмические, взрывные, аварийные и прочие воздействия ограниченной продолжительности.
1.5.Внутренние силы в поперечном сечении бруса
В недеформированном состоянии, т.е. при отсутствии внешних воздействий, связанность тела обусловлена силами взаимодействия атомов. Эти силы стремятся сохранить тело как единое целое, препятствуя любой попытке изменить взаимное расположение атомов и таким образом деформировать тело. Внешние воздействия, наоборот, стремятся вызвать деформирование тела путём изменения межатомных расстояний, взаимного расположения атомов и сил их взаимодействия. Однако если бы механика деформируемого тела ставила перед собой задачу изучать силы, действующие на каждый атом в отдельности, пользоваться её аппаратом было бы чрезвычайно трудно. Поэтому сопротивление материалов рассматривает поведение макрообъёмов материала, т.е. объёмов, состоящих из большого количества атомов и имеющих такие размеры, которые позволяют считать материал сплошным и однородным. Сплошное однородное тело не имеет в своём составе взаимодействующих частиц, и его целостность обеспечивают внутренние связи. Из теоретической механики известна так называемая аксиома связей, которая гласит: равновесие тела сохранится, если действие связей, закрепляющих тело в пространстве (рис.18,а), заменить их реакциями (рис.18,б).
| |
| |
| |
Применяя эту аксиому к деформируемому телу, можно мысленно рассечь его произвольной плоскостью (рис.19,а), отделить одну часть от другой и взамен нарушенных связей приложить к каждой части силы, равные усилиям связей (рис.19,б). Такие силы называются внутренними. Они непрерывно распределяются по образовавшемуся сечению вследствие допущения о сплошности материала. Их находят посредством специального приёма – метода сечений, сущность которого заключается в следующем.
Пусть на тело, имеющее форму бруса, действует система взаимно уравновешенных внешних сил F1,F2,…,Fn (рис.20, а). Для определения
внутренних сил производят последовательно четыре операции: 1) рассекают брус в интересующем месте воображаемой плоскостью; 2) отбрасывают мысленно одну из образовавшихся частей (обычно ту, к которой приложено больше сил), в результате чего нарушается равновесие оставшейся части;
3) заменяют действие отброшенной части на оставшуюся внутренними силами f1,f2,…,fk (рис. 20, 6); 4) составляют уравнения равновесия всех сил, приложенных к оставшейся части. При этом имеют в виду, что внутренние силы согласно правилам теоретической механики могут быть приведены к центру тяжести сечения и, таким образом, заменены главным вектором R и главным моментом М (рис. 20, в). Каждый из этих двух статических эквивалентов внутренних сил можно представить в виде трех составляющих по осям выбранных координат х, у, z. Направляя ось z по нормали к сечению и располагая оси х и у
в его плоскости (рис. 20, г), получаем следующие шесть составляющих:N, Qx, Qy, Mz,Mx, My,, где N продольная (нормальная) сила; Qx, Qy—поперечные силы вдоль осей x и y; Mz — крутящий момент; Mx, My — изгибающие моменты относительно осей х к у.
Эти компоненты главного вектора и главного момента называются внутренними силовыми факторами или усилиями. Для их определения имеется шесть уравнений равновесия: ΣХ = 0; ΣY=0; ΣZ = 0;
Σ mx= 0; Σmy = 0; Σ mz = 0. (10)
Кроме проекций на соответствующую ось (или моментов относительно оси) всех внешних сил, приложенных к оставшейся части, в каждое уравнение входит только одно неизвестное усилие. Это обстоятельство подтверждает целесообразность раздельного определения составляющих главного вектора и главного момента внутренних сил, поскольку отпадает необходимость в совместном решении нескольких уравнений.
Независимо от закона распределения по сечению внутренние силы всегда приводятся к стандартной системе усилий N, Qx, .., My, алгебраические значения которых зависят только от абсциссы сечения z. Усилия связаны с конкретными видами деформации бруса, которые подробно рассматриваются в последующих главах. Если в поперечных сечениях возникает, например, только продольная сила N, а остальные усилия отсутствуют, то брус испытывает растяжение или сжатие (в зависимости от направления силы). При наличии только поперечной силы ( или Qx, или Qy, или обеих вместе) возникает сдвиг. Если не равен нулю только момент Mz, то брус работает на кручение.
При возникновении только изгибающего момента Mx или My брус испытывает чистый изгиб соответственно в плоскости zQy или zQx. В более общем случае к изгибающему моменту добавляется поперечная сила ( в первом случае Qy, во втором – Qx). Такой изгиб называется поперечным.
Из изложенного следует, что разложение главного вектора и главного момента внутренних сил на составляющие имеет не формальный, а чётко выраженный физический смысл.
1.6.Крутящий момент
Кручению подвергаются многие детали машин и сооружений: валы двигателей, станков и машин, оси локомотивов и моторных вагонов, элементы пространственных конструкций. Ограничимся рассмотрением вопросов, представляющих интерес с точки зрения расчёта строительных машин, а также подъёмно-транспортного и такелажного оборудования для монтажа строительных конструкций.
Брус испытывает кручение, если к нему прикладываются пары сил, лежащие в плоскостях, перпендикулярных его продольной оси. Моменты этих внешних пар обозначают m (рис.21, а). Под действием внешних моментов в поперечных сечениях закручиваемого бруса возникает единственная составляющая главного момента, которая называется, как отмечалось в п.1.5, крутящим моментом и обозначается Mz.. Остальные составляющие главного момента, а также все составляющие главного вектора равны нулю.
Крутящий момент определяют методом сечений. Брус рассекают воображаемой плоскостью, перпендикулярной его продольной оси, мысленно отбрасывают одну из образовавшихся частей, а ее действие на оставшуюся часть заменяют неизвестным моментом Mz (рис.21, б). После этого составляют единственное уравнение равновесия оставшейся части Σmz=0, из которого и определяют значение Мz. Таким образом, крутящий момент в поперечном сечении бруса численно равен алгебраической сумме внешних моментов, приложенных одной стороны от рассматриваемого сечения.
Правило знаков. Условимся считать крутящий момент положительным, если внешний момент m направлен по ходу часовой стрелки при взгляде от сечения к любому концу бруса (рис.22).
Вопрос о нахождении опасных сечений бруса, нагруженного несколькими внешними моментами, решается так же, как при растяжении (сжатии), т.е. в результате построения эпюры усилий, которое в данном случае представляет собой график изменения крутящего момента по длине бруса.
2. Строительные материалы
2.1.Бетон
Очень широкое распространение в практике строительства промышленных и жилых зданий, мостов, эстакад, водонапорных башен, опор линий электропередач и многих других сооружений получил бетон и особенно железобетон.
Существует мнение, что бетон — это сравнительно молодой материал, который начал применяться всего лет сто — двести тому назад. Однако это мнение ошибочное. Бетон — один из древнейших строительных материалов. Нам известна бетонная пирамида Нимуса, построенная более 5500 лет назад в древнем Египте. В Мексике сохранились остатки бетонных сооружений, с момента постройки которых прошло несколько тысяч лет. Великая Китайская стена, возведенная в III в. до н. э., частично тоже была бетонной. Применение бетона в древнем государстве Урарту, расположенном, как известно, на территории нашей Родины, относится к VIII в. до н. э. Но бетон, который применяется сейчас как основной строительный материал, отличается от прежнего.
