Конструкционный материал - Structural material
- 1: Невероятная сила
- 2: Предел текучести (предел текучести)
- 3: Разрыв
- 4: Деформационное упрочнение область, край
- 5: Шейный область, край
- A: Видимое напряжение (F/А0)
- B: Фактическое напряжение (F/А)
Конструктивное проектирование зависит от знания материалов и их свойств, чтобы понять, как различные материалы выдерживают и выдерживают нагрузки.
Распространенными конструкционными материалами являются:
Утюг
Кованое железо
Кованое железо - это простейшая форма железа, почти чистое железо (обычно менее 0,15% углерода). Обычно он содержит шлак. Его использование почти полностью устарело, и он больше не производится в коммерческих целях.
Кованое железо очень плохо переносит пожары. Он пластичный, податливый и прочный. Это не ржаветь легко, как сталь.
Чугун
Чугун - это хрупкая форма чугуна, более слабая при растяжении, чем при сжатии. Он имеет относительно низкую температуру плавления, хорошую текучесть, литье, отличную обрабатываемость и износостойкость. Хотя чугун почти полностью заменен сталью в строительных конструкциях, он стал конструкционным материалом с широким спектром применения, включая трубы, детали машин и автомобилей.
Чугун сохраняет высокую огнестойкость, несмотря на низкую температуру плавления. Обычно это около 95% железа, от 2,1% до 4% углерода и от 1% до 3% кремния. Он не подвержен коррозии так же легко, как сталь.
Сталь
Сталь - это сплав железа с контролируемым уровнем углерода (от 0,0 до 1,7% углерода).
Сталь чрезвычайно широко применяется во всех типах конструкций из-за ее относительно невысокой стоимости, высокого удельного веса и скорости возведения.
Сталь - это пластичный материал, который будет вести себя упруго до тех пор, пока не достигнет текучести (точка 2 на кривой зависимости напряжения от деформации), когда он станет пластичным и станет пластичным (большие деформации или растяжения до разрушения в точке 3 на кривой). изгиб). Сталь одинаково прочна на растяжение и сжатие.
Сталь плохо переносит пожар, и в большинстве зданий ее необходимо защищать. Несмотря на высокое соотношение прочности и веса, стальные здания имеют такую же тепловую массу, как и аналогичные бетонные здания.
В модуль упругости стали примерно 205 ГПа.
Сталь очень подвержена коррозии (ржавчина ).
Нержавеющая сталь
Нержавеющая сталь - это сплав железа с углеродом с содержанием хрома не менее 10,5%. Существуют разные виды нержавеющей стали, содержащие разные доли железа, углерода, молибден, никель. Он имеет такие же структурные свойства, что и сталь, хотя его прочность значительно варьируется.
Его редко используют для первичной конструкции, а тем более для архитектурной отделки и облицовки зданий.
Он очень устойчив к коррозии и появлению пятен.
Бетон
Бетон чрезвычайно широко используется в строительных и строительных конструкциях из-за его низкой стоимости, гибкости, долговечности и высокой прочности. Он также обладает высокой огнестойкостью.
Бетон - нелинейный, неэластичный и хрупкий материал. Он силен при сжатии и очень слаб при растяжении. Он всегда ведет себя нелинейно. Поскольку он практически не имеет прочности на растяжение, он почти всегда используется в качестве железобетон, композитный материал. Это смесь песок, заполнитель, цемент и вода. Его помещают в форму или форму в виде жидкости, а затем он затвердевает (уходит) из-за химической реакции между водой и цементом. Затвердевание бетона называется гидратацией. Реакция экзотермическая (с выделением тепла).
Бетон становится прочнее со дня его заливки. Если предположить, что его не бросают под воду или при постоянной 100% относительной влажности, он сжимается со временем по мере высыхания и со временем деформируется из-за явления, называемого слизняк. Его прочность во многом зависит от того, как он смешивается, заливается, отливается, уплотняется, отверждается (остается влажным во время схватывания) и от того, использовались ли в смеси какие-либо добавки. Ему можно отлить любую форму, для которой она может быть сделана. Его цвет, качество и отделка зависят от сложности конструкции, материала, из которого изготовлена форма, и навыков рабочего.
В модуль упругости бетона может варьироваться в широких пределах и зависит от бетонной смеси, возраста и качества, а также от типа и продолжительности приложенной к ней нагрузки. Обычно принимают примерно 25 ГПа для длительных нагрузок после достижения полной прочности (обычно считается, что это происходит через 28 дней после заливки). Принято примерно 38 ГПа для очень кратковременных нагрузок, например, от шагов.
Бетон обладает очень благоприятными огнестойкими свойствами - он не подвергается неблагоприятному воздействию огня, пока не достигнет очень высоких температур. Он также имеет очень большую массу, поэтому хорошо подходит для обеспечения звукоизоляции и удержания тепла (что приводит к снижению потребности в энергии для обогрева бетонных зданий). Это компенсируется тем фактом, что производство и транспортировка бетона очень энергоемкие. Для изучения поведения материала было разработано множество численных моделей, например то модель микроплоскости для основных законов материалов.
Железобетон
Армированный бетон - это бетон, в который были включены стальные арматурные стержни («арматурные стержни»), пластины или волокна для усиления материала, который в противном случае был бы хрупким. В промышленно развитых странах почти весь бетон, используемый в строительстве, является железобетонным. Из-за своей слабой способности к растяжению бетон внезапно и хрупко разрушится под действием силы изгиба (изгиба) или растяжения, если он должным образом не армирован сталью.
Предварительно напряженный бетон
Предварительно напряженный бетон это метод преодоления естественной слабости бетона в напряжение.[1][2] Его можно использовать для производства балки, этажи или мосты с более длинной охватывать чем практично с обычным железобетон. Предварительное напряжение сухожилий (обычно высокого растяжение сталь кабель или стержни) используются для обеспечения зажимной нагрузки, которая создает сжимающее напряжение это компенсирует растягивающее напряжение что бетон элемент сжатия иначе возникнет из-за изгибающей нагрузки.
Алюминий
1. Абсолютная сила
2. Предел текучести
3. Пропорционально предельное напряжение
4. Разрыв
5. Деформация смещения (обычно 0,002).
Алюминий - мягкий, легкий, податливый металл. Предел текучести чистого алюминия составляет 7–11 МПа, а алюминиевые сплавы имеют предел текучести от 200 до 600 МПа. Плотность и жесткость алюминия составляет примерно одну треть от стали. Он пластичный, легко обрабатывается, отливается и прессуется.
Устойчивость к коррозии отличная благодаря тонкому поверхностному слою оксида алюминия, который образуется, когда металл подвергается воздействию воздуха, эффективно предотвращая дальнейшее окисление. Самые прочные алюминиевые сплавы менее устойчивы к коррозии из-за гальванических реакций с легированной медью.
Алюминий используется в некоторых строительных конструкциях (в основном в фасадах) и очень широко используется в авиастроении из-за хорошего соотношения прочности и веса. Это относительно дорогой материал.
В самолетостроении его постепенно заменяют углеродными композитными материалами.
Композиты
Композитные материалы все чаще используются в конструкциях транспортных средств и самолетов, а также в некоторой степени в других конструкциях. Они все чаще используются в мостах, особенно для консервации старых конструкций, таких как Coalport чугунный мост, построенный в 1818 году. Композиты часто бывают анизотропными (у них разные свойства материала в разных направлениях), поскольку они могут быть слоистыми материалами. Чаще всего они ведут себя нелинейно и при перегрузке ломаются.
Они обеспечивают очень хорошее соотношение прочности и веса, но при этом очень дороги. Производственные процессы, которые часто представляют собой экструзию, в настоящее время не обеспечивают той экономической гибкости, которую обеспечивают бетон или сталь. Наиболее часто используемые в конструкционных приложениях: стеклопластик.
Кирпичная кладка
Каменная кладка использовалась в конструкциях на протяжении тысяч лет и может принимать форму камня, кирпича или блоков. Кладка очень прочна на сжатие, но не выдерживает напряжения (потому что ступка между кирпичами или блоками не выдерживает напряжения). Поскольку он не может выдерживать структурное напряжение, он также не может выдерживать изгиб, поэтому кирпичные стены становятся нестабильными на относительно небольшой высоте. Высокие кирпичные конструкции требуют стабилизации от боковых нагрузок от контрфорсы (как с контрфорсы видели во многих европейских средневековых церквях) или из ветровые столбы.
Исторически каменная кладка строилась без раствора или с известковым раствором. В наше время используются растворы на цементной основе. Раствор склеивает блоки вместе, а также сглаживает границу раздела между блоками, избегая локальных точечных нагрузок, которые могли бы привести к растрескиванию.
В связи с широким распространением бетона, камень редко используется в качестве основного конструкционного материала, часто появляется только в качестве облицовки из-за его стоимости и высоких навыков, необходимых для его производства. Его место заняли кирпич и бетонная кладка.
Кладка, как и бетон, имеет хорошие звукоизоляционные свойства и высокую тепловую массу, но, как правило, требует меньших затрат энергии на производство. Его транспортировка так же энергоемка, как и бетон.
Древесина
Древесина - самый старый из конструкционных материалов, и хотя в основном ее вытесняют сталь, кладка и бетон, она все еще используется в значительном количестве зданий. Свойства древесины нелинейны и очень изменчивы в зависимости от качества, обработки древесины и вида поставляемой древесины. Дизайн деревянных конструкций основывается на эмпирических данных.
Дерево прочно при растяжении и сжатии, но может быть слабым при изгибе из-за своей волокнистой структуры. Древесина относительно хороша в огне, поскольку она обугливается, что обеспечивает дереву в центре элемента некоторую защиту и позволяет структуре сохранять некоторую прочность в течение разумного периода времени.
Прочие конструкционные материалы
использованная литература
- ^ Нави, Эдвард Г. (1989). Предварительно напряженный бетон. Prentice Hall. ISBN 0-13-698375-8.
- ^ Нильсон, Артур Х. (1987). Проектирование предварительно напряженного бетона. Джон Уайли и сыновья. ISBN 0-471-83072-0.
дальнейшее чтение
- Бланк, Алан; Макэвой, Майкл; Планк, Роджер (1993). Архитектура и строительство из стали. Тейлор и Фрэнсис. ISBN 0-419-17660-8.
- Хьюсон, Найджел Р. (2003). Предварительно напряженные бетонные мосты: проектирование и строительство. Томас Телфорд. ISBN 0-7277-2774-5.
- Хосфорд, Уильям Ф. (2005). Механическое поведение материалов. Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-84670-6.
- Hoogenboom P.C.J., «Дискретные элементы и нелинейность в проектировании бетонных конструкций», Раздел 1.3. Исторический обзор моделирования бетонных конструкций, август 1998 г., ISBN 90-901184-3-8.
- Леонхардт, А. (1964). Vom Caementum zum Spannbeton, Band III (от цемента до предварительно напряженного бетона). Bauverlag GmbH.
- Мёрш Э. (Штутгарт, 1908). Der Eisenbetonbau, seine Theorie und Anwendun, (Железобетонная конструкция, ее теория и применение). Конрад Виттвер, 3-е издание.
- Нильсон, Артур Х .; Дарвин, Дэвид; Долан, Чарльз В. (2004). Проектирование бетонных конструкций. McGraw-Hill Professional. ISBN 0-07-248305-9.
- Прентис, Джон Э. (1990). Геология строительных материалов. Springer. ISBN 0-412-29740-X.
- Schlaich, J., K. Schäfer, M. Jennewein (1987). «На пути к согласованному проектированию конструкционного бетона». Журнал PCI, Специальный отчет, Том. 32, № 3.
- Суонк, Джеймс Мур (1965). История производства железа во все века. Айер Паблишинг. ISBN 0-8337-3463-6.