Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Строительство arrow Оценка технического состояния зданий

РАЗРУШЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ И КОНСТРУКЦИЙ

Разрушение материала — макроскопическое нарушение сплошности материала в результате тех или иных воздействий на него. Разрушение часто развивается одновременно с упругой или пластической деформацией. Строительные материалы подразделяются на хрупкие и пластичные. Абсолютно хрупких и пластичных материалов в природе не существует.

Большинство бетонных, каменных, силикатных и керамических изделий вплоть до разрушения испытывают только незначительные пластические деформации. Некристаллические твердые тела, например стекло, разрушаются также без видимых пластических деформаций. Разрушение некоторых металлических конструкций происходит вследствие пластического течения без значительного увеличения нагрузки. Пластичные материалы могут разрушаться как хрупкие. В частности, при усталостном разрушении стальных конструкций, когда под действием периодически меняющихся напряжений накапливаются дислокации, металл упрочняется, а затем происходит зарождение микротрещины, что может вызвать внезапное разрушение материала. Усталостное разрушение происходит и в хрупких материалах, при этом на скорость разрушения влияет окружающая среда.

Значение напряжения в момент разрушения зависит от свободной поверхностной энергии а и модуля упругости Е, а также от длины трещины 21. Сила, приложенная к материалу, вызывает увеличение напряжения от нуля до омакс. Поэтому изменение упругой энергии материала, сопровождающееся этим напряжением, отнесенное к единице объема деформируемого материала, выражается зависимостью

иу2/2Е, (3.1)

где о — среднее напряжение в материале, вызванное приложенной силой, Па; Е— модуль упругости материала, Па.

При образовании в объеме материала трещины, распространяющейся перпендикулярно действующей силе, уменьшение упругой энергии материала происходит в дискообразной области с диаметром окружности, равным длине трещины 21. Общий объем V, приходящийся на единицу толщины образца, в котором происходит уменьшение упругой энергии, 2л/2. Используя соотношение (3.1), определим уменьшение упругой энергии в результате образования трещины:

иу= иуУ= [а2 / {2 Е)]2п12 = (тш2/Е)/2. (3.2)

Наряду с уменьшением упругой энергии материала по мере развития трещины образуются две поверхности площадью (на единицу образца) 21 каждая со свободной поверхностной энергией. Общее увеличение поверхностной энергии деформируемого материала составит 2 • 21а = 4а/.

Суммарная энергия, сопровождающая развитие трещины до размера 21,

U=- (ка2/Е)12 + 4а/. (3.3)

Из уравнения (3.3) видно, что общее изменение энергии имеет две составляющие, из которых одна соответствует уменьшению упругой энергии в области трещины (рис. 3.2, кривая 3), вторая — увеличению поверхностной энергии в зависимости от длины трещины (рис. 3.2, кривая 1). Первая составляющая преобладает при больших значениях 21, при достижении критических значений вызывает самопроизвольное развитие трещины.

Для нахождения критического значения первую производную уравнения (3.3) приравнивают к нулю:

о2п ? 1

  • - 2а = 0; или а =
  • 2а • Е
  • 71-1
  • (3.4)

Если разрушению предшествует пластическая деформация, к изменению поверхностной энергии а добавляют работу пластической деформации а . Тогда выражение (3.4) будет иметь вид:

2Е{а + ар)

Выражения (3.4) и (3.5) дают приближенные значения среднего напряжения в материале конструкции, при котором напря-

а

-10 -5 0 +2 +3

Д

Зарождение основной трещины

Продвижение основной и зарождение новой трещины

в «ловушке»

Рис. 3.2.

а — возникновение и развитие трещин, изменение энергии материала при развитии трещины; б — изолинии напряжений, вызывающих раскрытие трещины; в — то же, в области роста микротрещины; г — то же, в области развития трещины; д — механизм торможения роста трещины в слоистых материалах.

1 — увеличение поверхностной энергии; 2 — изменение суммарной энергии; 3— энергия упругой деформации; 4 — микротрещина; 5 — изолинии напряжений; 6 — изолинии напряжений сдвига; 7 — вновь образовавшаяся трещина

жение у края трещины длиной 21 достигает значения теоретического напряжения разрушения. Отсюда вытекает, что твердые тела, в которых имеются трещины, могут разрушаться даже при незначительных напряжениях.

На рис. 3.2, б показаны изолинии, в точках которых коэффициенты концентраций растягивающих напряжений, действующих перпендикулярно главной оси трещины, имеют одинаковые значения (для трещин длиной 2 мкм с радиусом закругления в конце 10_1° м). У вершины коэффициент концентрации растягивающих напряжений равен 20/.

Следовательно, напряжения, вызывающие усилия, которые стремятся раскрыть трещину, очень велики, особенно в области, вплотную примыкающей к вершине трещины. Самые опасные напряжения приходятся на область, примерно равную площади, ограниченной расстоянием от конца трещины одной атомной связью. На следующей атомной связи напряжение уменьшается примерно вдвое.

Таким образом, нагрузки в материале, имеющем микротрещины, концентрируются на единственной цепочке атомных связей. Как только перегруженная связь нарушится, максимум концентраций переместится на следующую. Описанный механизм разрушения объясняет линейную зависимость между деформацией и напряжением вплоть до момента разрушения.

Несколько по-иному разрушаются пластичные материалы, например металлы. Дислокации в таких материалах являются основной причиной пластического поведения. Упругая деформация в металлах составляет менее 1%. Пластическое течение металлов происходит без увеличения нагрузки до удлинения, достигающего иногда 50% и более общей деформации. Как видно из рис. 3.2, в, по обе стороны от вершины трещины есть малые области значительных концентраций напряжений сдвига.

Ранее отмечалось, что движение дислокаций происходит при малых напряжениях в материале (порядка 0,98 • 106 Па). Поэтому указанные выше напряжения сдвига достаточны для движения существующих дислокаций, а также зарождения и движения новых.

В плоскостях, расположенных под углом 45° к главной оси трещины, возникает сдвиг и уменьшаются растягивающие напряжения. Пластичность — это течение дислокаций. При комнатной температуре в большинстве кристаллических твердых тел дислокации недостаточно подвижны. В этих случаях происходит хрупкое разрушение, так как в материале не хватает дислокаций, расположенных в непосредственной близости от конца трещины, для сдвиговых деформаций, которые привели бы к увеличению радиуса вершины трещины и снижению опасных концентраций растягивающих напряжений.

Поведение хрупких и пластичных материалов объясняется физической природой элементарных связей в материале. Способность к разрушению и восстановлению связей в разных материалах неодинакова. Для зарождения дислокаций и для их перемещения необходимы разрыв старых и появление новых связей. Такой способностью должны обладать материалы, в которых связи элементарных частиц одинаковы во всех направлениях. Указанным свойством обладают металлические ионные связи. Ковалентные связи с их выраженной направленностью и достаточной прочностью не могут быстро нарушаться, так же как не могут восстанавливаться новые. Поэтому большинство каменных, бетонных, силикатных и керамических материалов и некоторые металлы не обладают пластичностью при нормальных температурах. Разрушению стальных конструкций предшествуют интенсивное зарождение и передвижение дислокаций, которые, встретив препятствие в виде зерен, границ раздела разнородных фаз или различные дефекты кристалла, могут накапливаться, упрочняя материал. Эти же скопления дислокаций могут привести к образованию микротрещин, которые вызывают ускорение разрушения материала конструкции. Так разрушается, например, стальной прут, предварительно согнутый несколько раз в разные стороны. В результате деформаций в нем быстро накапливаются дислокации, происходит уплотнение и упрочнение материала, приводящие к хрупкому разрушению.

При наличии трещин на поверхности многие материалы, обладающие большой пластичностью, становятся хрупкими. Только при полном отсутствии трещин разрушение материала сопровождается пластическими деформациями.

Для роста микротрещин, образовавшихся в хрупких материалах (бетоне, каменных конструкциях, большинстве керамических изделий, стекле и др.), требуется меньше энергии, чем для пластической деформации, так как развитие трещин происходит до полного разрушения материала.

В отличие от рассмотренных ранее видов разрушения в слоистых твердых телах у вершины трещины наблюдается концентрация растягивающих напряжений, разрывающих трещину и вызывающих рост напряжений (см. рис. 3.2, в). В области, прилегающей непосредственно к вершине трещины, имеются и другие растягивающие напряжения, направленные параллельно ее главной оси (см. рис. 3.2, г). Ранее установлено, что растягивающие напряжения, действующие перпендикулярно направлению развития трещины, достигают максимального значения у вершины трещины. В этой точке растягивающие напряжения, направленные параллельно главной оси трещины, равны нулю. Максимального значения такие напряжения достигают на расстоянии от вершины, равном размеру одного-двух атомов. Независимо от формы трещины и способа ее нагружения отношение максимального растягивающего напряжения, действующего параллельно трещине, к максимальному растягивающему напряжению, направленному перпендикулярно ее главной оси, всегда постоянно и равно у5.

Следовательно, если в области, где действуют напряжения, направленные параллельно трещины, прочность материала соответствует У5 главных напряжений, то может образоваться трещина, направленная перпендикулярно движущейся, что явится своего рода тормозом, способным приостановить ее распространение (см. рис. 3.2, д). В этом случае конец движущейся трещины при слиянии с вновь образовавшейся сильно притупится и напряжений, способствующих дальнейшему распространению трещины, окажется недостаточно.

Таким образом, конструкции, материал которых состоит из слоев, имеющих различную прочность связи в продольном и поперечном направлениях в соотношении 5:1, должны обладать достаточно высокой прочностью. Для разрушения таких конструкций трещины должны образовываться каждый раз заново во всех слоях материала, поэтому подобные конструкции можно рассматривать как системы, имеющие постоянный резерв.

Рассмотренная теория дает приближенную оценку физического механизма разрушения материалов, так как в ней не принимается во внимание, что любой процесс разрушения твердых тел сопровождается тепловыми потерями. Баланс энергии разрушения может быть записан в виде

сШ= ёа + ёО,

где — уменьшение упругой энергии нагруженной конструкции в процессе ее разгрузки при росте трещины; ёа — увеличение свободной поверхностной энергии; ё() — механические потери энергии в процессе разрушения за малый промежуток времени ёх.

При с1(2 = 0 справедлива рассмотренная выше теория разрушения. В реальных условиях это условие не соблюдается, хотя во многих случаях с!() может быть очень малой величиной. В связи с этим приведенные выше основные положения дают вполне удовлетворительную оценку механизма разрушения конструкций.

В процессе эксплуатации большинство конструкций работает под нагрузками, вызывающими напряжения сжатия. В результате перераспределения напряжений из-за разной ориентации блоков и зерен кристаллов, а также вследствие наличия в материалах разнородных композитов, имеющих неодинаковые кристаллические структуры, в различных сечениях конструкций независимо от направления действия приложенных сил всегда будут растягивающие напряжения, приводящие к образованию микротрещин. Подобного рода дефекты в материалах конструкций являются причиной ускоренного износа и разрушения элементов зданий.

Различают начальное разрушение (образование и развитие пор, трещин и других нарушений сплошности) и полное разрушение (разделение тела на две и более частей); хрупкое (без значительной пластической деформации) и пластическое (или вязкое); усталостное, длительное и др. Теория разрушения базируется на физических, механико-математических, структурных и физикохимических объяснениях закономерностей механического разрушения.

Повреждения — это начальная стадия разрушения отдельных конструктивных элементов или отдельных мест этого элемента, т.е. потеря первоначальных свойств конструкции или элемента (рис. 3.3).

При эксплуатации зданий и сооружений важно оценить характер и опасность повреждений. Причины, вызывающие повреждения, а затем и разрушения зданий, следующие: 1) воздействия внешних природных и искусственных факторов; 2) воздействия внутренних факторов, обусловленных технологическим процессом; 3) проявление дефектов, допущенных при изысканиях, проектировании, возведении здания; 4) недостатки и нарушения правил эксплуатации зданий, сооружений и сантехоборудования. В зависимости от характера процессов, приводящих к разрушению, последние бывают: механические (приложение сверхрасчетной нагрузки — оборудование, деформации грунтов оснований; сейсмическое воздействие; механическое повреждение) и физико-

Повреждения зданий

Причины, вызывающие повреждения

I

Воздействие

Воздействие

Проявление дефектов

Нарушение правил

внешних

технологических

проектирования

эксплуатации

факторов

факторов

и строительства

зданий

Природных:

атмосферных,

климатических,

грунтовых,

сейсмических,

биологических

Агрессивных

выделений:

парогазовых,

водных,

масляных эмульсий

Потеря прочности и устойчивости -дефекты первой группы

Нарушение правил использования и несвоевременный ремонт

химические (окисление, коррозия, вызванные растворами солей, кислот, щелочей, грунтовой влаги; воздействие электрического тока, биологических процессов). Чаще всего здания и конструктивные элементы преждевременно выходят из строя от суммарного воздействия вышеперечисленных факторов. По степени разрушения можно выделить три категории повреждений:

  • • аварийного характера, вызванные дефектами проектирования, строительства, стихийными явлениями — ливнями, снегопадами, затоплением, а также нарушениями правил эксплуатации зданий и сооружений;
  • • разрушения несущих конструкций, обусловленные внешними и технологическими факторами, нарушением правил эксплуатации. Такие нарушения не являются аварийными и устраняются при капитальном ремонте усилением или заменой;

разрушения второстепенных элементов (выпадение штукатурки, отдельных плиток облицовки), устраняемые при текущем ремонте.

 
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >
 
Популярные страницы