Конструкционный материал

Строительная инженерия зависит от знаний материалов и их свойств, чтобы понять, как различные материалы сопротивляются и выдерживают нагрузки.

Распространенными конструкционными материалами являются:

Железо

Кованое железо

Кованое железо — это самая простая форма железа, оно представляет собой почти чистое железо (обычно менее 0,15% углерода). Обычно он содержит некоторое количество шлака . Его использование почти полностью устарело, и он больше не производится в коммерческих целях.

Кованое железо очень плохо переносит пожары. Он пластичный, податливый и прочный. Он не ржавеет так легко, как сталь.

Чугун

Чугун — хрупкая форма железа, которая слабее при растяжении, чем при сжатии. Он имеет относительно низкую температуру плавления, хорошую текучесть, литейность, 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 прочность при пожаре, несмотря на низкую температуру плавления. Обычно это около 95% железа, от 2,1% до 4% углерода и от 1% до 3% кремния. Он не ржавеет так легко, как сталь.

Сталь

Сталь представляет собой сплав железа с контролируемым содержанием углерода (от 0,0 до 1,7%).

Сталь применяется чрезвычайно широко во всех типах конструкций из-за ее относительно невысокой стоимости, высокой прочности и скорости возведения.

Сталь — это пластичный материал, который будет вести себя упруго до тех пор, пока не достигнет текучести (точка 2 на кривой «напряжение-деформация»), когда она станет пластичной и будет разрушаться под действием пластичности (большие деформации или растяжения перед разрушением в точке 3 на изгиб). Сталь одинаково прочна как на растяжение, так и на сжатие.

Сталь слаба при пожаре, 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.

Модуль упругости стали составляет примерно 205 ГПа .

Сталь очень склонна к коррозии ( ржавчине ).

Нержавеющая сталь

Нержавеющая сталь представляет собой железо-углеродистый сплав с содержанием хрома не менее 10,5%. Существуют разные виды нержавеющей стали, содержащие в разных пропорциях железо, углерод, молибден , никель . Он имеет схожие структурные свойства со сталью, хотя его прочность значительно различается.

Его редко используют для основной конструкции, а чаще для архитектурной отделки и облицовки зданий.

Он обладает высокой устойчивостью к коррозии и образованию пятен.

Конкретный

Бетон чрезвычайно широко используется в строительстве и сооружениях гражданского строительства из-за его низкой стоимости, гибкости, долговечности и высокой прочности. Он также имеет высокую устойчивость к огню.

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, его почти всегда используют в качестве железобетона , композитного материала. Это смесь песка , заполнителя, цемента и воды. Его помещают в форму или форму в виде жидкости, а затем он затвердевает (растворяется) в результате химической реакции между водой и цементом. Твердение бетона называется гидратацией. Реакция экзотермическая (выделяет тепло).

Прочность бетона постоянно увеличивается со дня его заливки. Предполагая, что его не отливают под воду или при постоянной относительной влажности 100%, он со временем сжимается по мере высыхания и со временем деформируется из-за явления, называемого ползучестью . Его прочность во многом зависит от того, как его смешивают, заливают, отливают, уплотняют, отверждают (сохраняют во влажном состоянии во время схватывания), а также от того, использовались ли в смеси какие-либо добавки или нет. Ему можно придать любую форму, для которой можно изготовить форму. Его цвет, качество и отделка зависят от сложности конструкции, материала, из которого изготовлена форма, и мастерства мастера.

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 его принимают равным примерно 25 ГПа для длительных нагрузок после достижения полной прочности (обычно считается, что это происходит через 28 дней после отливки). принимается примерно 38 ГПа Для очень кратковременных нагрузок, например шагов, .

Бетон обладает очень благоприятными свойствами при пожаре – огонь не оказывает на него негативного воздействия до тех пор, пока он не достигнет очень высоких температур. Он также имеет очень большую массу, поэтому хорошо обеспечивает звукоизоляцию и сохранение тепла (что приводит к снижению затрат энергии на отопление бетонных зданий). Это компенсируется тем, что производство и транспортировка бетона очень энергозатратны. Для изучения поведения материалов было разработано множество численных моделей, например, модель микроплоскости для основных законов материалов .

Железобетон

Железобетон — это бетон, в который включены стальные арматурные стержни («арматура»), пластины или волокна для укрепления материала, который в противном случае был бы хрупким. В промышленно развитых странах почти весь бетон, используемый в строительстве, является железобетоном. Из-за своей слабой способности к растяжению бетон внезапно и хрупко разрушается под действием изгибающей (изгибающей) или растягивающей силы, если он не будет надлежащим образом армирован сталью.

Предварительно напряженный бетон

Предварительно напряженный бетон — это метод преодоления естественной слабости бетона при растяжении . ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]} Его можно использовать для изготовления балок , перекрытий или мостов с более длинными пролетами , чем это практически возможно из обычного железобетона . Предварительно напряженные арматуры (обычно из высокопрочных стальных тросов или стержней) используются для обеспечения зажимной нагрузки, которая создает сжимающее напряжение , компенсирующее растягивающее напряжение , которое в противном случае испытал бы бетонный сжимающий элемент из-за изгибающей нагрузки.

Алюминий

Алюминий — мягкий, легкий и ковкий металл. Предел текучести чистого алюминия составляет 7–11 МПа, а алюминиевые сплавы имеют пределы текучести от 200 МПа до 600 МПа. Алюминий имеет примерно одну треть плотности и жесткости стали. Он пластичен, легко обрабатывается, отливается и экструдируется.

Коррозионная стойкость превосходна благодаря тонкому поверхностному слою оксида алюминия, который образуется при контакте металла с воздухом и эффективно предотвращает 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 в авиастроении из-за хорошего соотношения прочности и веса. Это относительно дорогой материал.

В авиации его постепенно заменяют углеродные композиционные материалы.

Композиты

Композиционные 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 Коалпорт, чугунный мост построенный в 1818 году. Композиты часто анизотропны (они имеют разные свойства материала в разных направлениях), поскольку могут быть слоистыми материалами. Чаще всего они ведут себя нелинейно и хрупко выходят из строя при перегрузке.

Они обеспечивают чрезвычайно 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 используемыми в конструкционных применениях являются стеклопластики .

каменная кладка

Каменная кладка использовалась в сооружениях на протяжении тысячелетий и могла принимать форму камня, кирпича или блочной кладки. Каменная кладка очень прочна на сжатие, но не может выдерживать растяжение (поскольку раствор между кирпичами или блоками не выдерживает напряжения). Поскольку он не может выдерживать структурное напряжение, он также не может выдерживать изгиб, поэтому каменные стены становятся нестабильными на относительно небольших высотах. Высокие каменные конструкции требуют стабилизации от боковых нагрузок от контрфорсов (как в случае с аркбутанами во многих европейских средневековых церквях) или от ветровых столбов .

Исторически кладку строили без раствора или на известковом растворе. В настоящее время используются растворы на цементной основе. Раствор склеивает блоки вместе, а также сглаживает границу между блоками, избегая локализованных точечных нагрузок, которые могли бы привести к растрескиванию.

С момента широкого распространения бетона камень редко используется в качестве основного конструкционного материала, а часто появляется только в качестве облицовки из-за его стоимости и высоких навыков, необходимых для его производства. На смену им пришла кирпичная и бетонная кладка.

Каменная кладка, как и бетон, имеет хорошие звукоизоляционные свойства и высокую тепловую массу, но, как правило, ее производство менее энергоемко. Транспортировка такого же энергоемкого материала, как и бетон.

Древесина

Древесина является старейшим конструкционным материалом, и хотя ее в основном вытесняют сталь, каменная кладка и бетон, она все еще используется в значительном количестве зданий. Свойства древесины нелинейны и весьма изменчивы в зависимости от качества, обработки древесины и породы поставляемой древесины. Проектирование деревянных конструкций в значительной степени основано на эмпирических данных.

Древесина прочна на растяжение и сжатие, но может быть слабой на изгиб из-за своей волокнистой структуры. Древесина относительно хорошо переносит пожар, поскольку она обугливается, что обеспечивает древесине в центре элемента некоторую защиту и позволяет конструкции сохранять некоторую прочность в течение разумного периода времени.

Другие конструкционные материалы

Бамбуковые леса могут достигать больших высот.

Ссылки

^ Нави, Эдвард Г. (1989). Предварительно напряженный бетон . Прентис Холл . ISBN 0-13-698375-8 .
^ Нильсон, Артур Х. (1987). Проектирование предварительно напряженного железобетона . 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). Мосты из предварительно напряженного железобетона: 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 PCJ, «Дискретные элементы и нелинейность в проектировании несущих бетонных стен», раздел 1.3. Исторический обзор моделирования несущих бетонов, август 1998 г., ISBN 90-901184-3-8 .
Леонхардт, А. (1964). От цемента к предварительно напряженному бетону, Том III (От цемента к предварительно напряженному бетону) . Бауверлаг ГмбХ.
Мёрш, Э. (Штутгарт, 1908). Железобетонные конструкции, их теория и применение . Конрад Виттвер, 3-е издание.
Нильсон, Артур Х.; Дарвин, Дэвид; Долан, Чарльз В. (2004). Проектирование бетонных конструкций . МакГроу-Хилл Профессионал. ISBN 0-07-248305-9 .
Прентис, Джон Э. (1990). Геология строительных материалов . Спрингер. ISBN 0-412-29740-X .
Шлайх Дж., К. Шефер, М. Йенневейн (1987). «На пути к последовательному проектированию конструкционного бетона». Журнал PCI , специальный отчет, Vol. 32, № 3.
Суонк, Джеймс Мур (1965). История производства железа во все времена . Айер Паблишинг. ISBN 0-8337-3463-6 .

[PrestressedConcrete-1] Нави, Эдвард Г. (1989). Предварительно напряженный бетон . Прентис Холл . ISBN 0-13-698375-8 .

[PrestressedConcreteDesign-2] Нильсон, Артур Х. (1987). Проектирование предварительно напряженного железобетона . Джон Уайли и сыновья . ISBN 0-471-83072-0 .

[ 1 ]

[ 2 ]