Виды нагрузок. Многократно повторяющиеся нагрузки
Здания и сооружения испытывают нагрузки различного характера на протяжении всего периода своей эксплуатации. Если рассматривать нагрузки, воздействующие на строительный объект, комплексно, то можно классифицировать их по длительности, постоянности, кратности воздействия, силе, направлению. По природе происхождения выделяют нагрузки от собственного веса, полезные, временные, нагрузки от температурного воздействия, сейсмические и аварийные. Помимо собственно нагрузок важно их сочетание, то есть одновременная комбинация длительных и кратковременных нагрузок. Поэтому для расчетов выбирают наиболее опасное их сочетание, состоящие из постоянных, длительных и кратковременных нагрузок. Для сейсмически опасных районов должна быть учтена и особая нагрузка.
В зависимости от типа объекта он может подвергаться воздействию статических, динамических и вибрационных нагрузок. Самыми сложными будут вибрационные и многократно повторяющиеся нагрузки, которые оказывают различные воздействия на материалы:
- в бетоне после повторяющихся циклов загружения и разгружения развиваются неупругие деформации, которые постепенно выбираются и материал начинает работать упруго, если напряжения не превысят предел выносливости;
- в металле развивается такое явление как усталость, перекристаллизация структуры приводит к снижению механических свойств, образуются трещины которые разрастаются и элемент разрушается;
- для полимерных материалов также свойственно явление усталости, которая концентрируется в местах приложения максимальных нагрузок.
Для повторяющихся нагрузок будут важны такие параметры как величина, частота, число циклов.
Многократным мы будет называть нагружение, частота которого превышает миллион раз.
Многократно повторяющиеся нагрузки вызывают переход от упругих деформаций к разрушениям, поэтому количество циклов нагрузки должно быть ограничено количеством циклов безопасной и безаварийной работы. Этот принцип применяется не только в строительстве, но в машиностроении.
Постоянные технические обследования зданий и сооружений выполняются для того, чтобы выявить пластические деформации в элементах до того, как они перейдут в стадию разрушения, а также обнаружить трещины до их роста и развития, чтобы остановить приложение разрушающей нагрузки к ослабленному элементу.
Рисунок 1. Развитие усталостных напряжений в металлах. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Работа металлов при повторяющихся нагрузках
Рассмотрим подробнее влияние повторяющихся нагрузок на металлы. Когда металл работает на упругой стадии, то повторные нагружения вызывают лишь упругие деформации, которые обратимы и не влияют на форму и геометрию элемента. Но постепенно области упругой работы увеличивается и пластичность материала снижается, что приводит к тому, что металл становится более хрупким и повторное нагружение приводит к разрушению при напряжениях, которые меньше предела текучести. Такое разрушение называется усталостным.
Дислокация в металле – это дефект или нарушение кристаллической решетки, которое влияет на механические и физические свойства. Дислокации бывают краевыми, винтовыми, либо смешанными.
Усталостное напряжение появляется при росте числа дислокаций, возникающих с каждым новым нагружением:
- в слабых поврежденных местах образуются пластические деформации;
- с ростом нагружения пластические деформации образуют истертые поверхности, которые превращаются в трещины;
- многократные нагружения приводят к росту трещин и разрыву;
- разрыв приводит к разрушению.
Рисунок 2. Методики проведения усталостных испытаний. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Чтобы снизить усталостное напряжение выполняется обработка кромок.
Снижение прочностных фактических характеристик в сравнении с заявленными производителем может произойти по ряду причин, среди которых различные условия работы в образце и конструкции, минусовые допуски и недостаточность контроля.
Из-за многократно повторяющейся нагрузки металлический каркас постепенно накапливает повреждения и теряет свою долговечность. Поэтому при расчетах, зная, что металл будет подвергаться многократно повторяющейся нагрузке или пульсирующей или знакопеременной нагрузке, предел текучести и в расчетах занижается, чтобы избежать развития пластических деформаций.
