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 немного 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 подвержен коррозии так же 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.
Стали
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.
Модуль упругости стали составляет примерно 205 ГПа .
Сталь очень подвержена коррозии ( ржавчине ).
Нержавеющая сталь
Нержавеющая сталь - это железоуглеродистый сплав с содержанием хрома не менее 10,5%. Существуют разные виды нержавеющей стали, содержащие в разной пропорции железо, углерод, молибден , никель . Он имеет такие же структурные свойства, что и сталь, хотя его прочность значительно различается.
Его редко используют для первичной конструкции, а тем более для архитектурной отделки и облицовки зданий.
Он очень устойчив к коррозии и появлению пятен.
Конкретный
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 железобетона , композитного материала. Это смесь песка , заполнителя, цемента и воды. 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 постоянно увеличивается в прочности со дня его заливки. Если предположить, что он не находится под водой или при постоянной 100% относительной влажности, он со временем сжимается по мере высыхания и со временем деформируется из-за явления, называемого ползучестью . Его прочность во многом зависит от того, как он смешивается, заливается, отливается, уплотняется, отверждается (остается влажным во время схватывания), а также от того, использовались ли в смеси какие-либо добавки. Ей 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.
Модуль упругости бетона может широко варьироваться 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 заливки). Для кратковременных нагрузок, таких как удары ног, оно составляет примерно 38 ГПа .
Бетон имеет очень благоприятные огнестойкие свойства - он не подвергается неблагоприятному воздействию огня, пока не достигнет очень высоких температур. Он также имеет очень большую массу, поэтому хорош для обеспечения звукоизоляции и удержания тепла (что приводит к снижению потребности в энергии для обогрева бетонных зданий). Это компенсируется тем, что производство и транспортировка бетона очень энергоемкие. Для изучения поведения материалов было разработано множество численных моделей, например, 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 при растяжении . [1] [2] Его можно использовать для изготовления балок , перекрытий или мостов с более длинным пролетом, чем это практично для обычного железобетона . Напрягаемые сухожилия ( как правило , высокое растяжение стального троса или стержни) используются , чтобы обеспечить зажимную нагрузку , которая производит напряжение сжатия , что компенсирует напряжение растяжения , что конкретные прессующий элемент бы в противном случае опыт из - за изгиб нагрузки.
Алюминий
Алюминий - мягкий, легкий, податливый металл. Предел текучести чистого алюминия составляет 7–11 МПа, а алюминиевые сплавы имеют предел текучести от 200 МПа до 600 МПа. Алюминий примерно на треть меньше плотности и жесткости стали. Он пластичный, легко обрабатывается, отливается и прессуется.
Коррозионная стойкость превосходна 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 благодаря хорошему соотношению 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 чугунный мост Coalport, построенный в 1818 году. Композиты часто анизотропны (они имеют 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 к весу, но при этом очень дороги. Производственные процессы, которые часто представляют собой экструзию, в настоящее время не обеспечивают экономическую гибкость, которую обеспечивают бетон или сталь. Чаще всего в конструкциях используются стеклопластики .
Каменная кладка
Каменная кладка использовалась в конструкциях на протяжении тысячелетий и может принимать форму камня, кирпича или блоков. Кладка очень прочна на сжатие, но не выдерживает напряжения (потому что раствор 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. Конструкции из высокой каменной кладки требуют стабилизации против боковых нагрузок от контрфорсов (как в случае с аркбутанами, которые можно увидеть во многих европейских средневековых церквях) или от ветровых столбов .
Исторически кладка возводилась без раствора или на известковом растворе. 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 использованием бетона, камень редко используется в качестве основного конструкционного материала, часто появляясь только в качестве облицовки из-за его стоимости и высоких навыков, необходимых для его производства. Его место заняли кирпич и бетонная кладка.
Каменная 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 типа поставляемой древесины. Проектирование деревянных конструкций основано на эмпирических данных.
Древесина сильна на растяжение и сжатие, но может быть слабой при изгибе из-за своей волокнистой структуры. Древесина относительно хороша при пожаре, 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
- Adobe
- Сплав
- Бамбук
- Углеродное волокно
- Пластик, армированный волокном
- Грязевой кирпич
- Кровельные материалы
Рекомендации
- ^ Nawy, Эдвард Г. (1989). Предварительно напряженный бетон . Прентис Холл . ISBN 0-13-698375-8.
- ^ Нильсон, Артур Х. (1987). Проектирование предварительно напряженного бетона . Джон Вили 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 бетона: 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 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). «К согласованному проектированию конструкционного бетона». Журнал PCI , Специальный отчет, Vol. 32, № 3.
- Суонк, Джеймс Мур (1965). История производства железа во все века . Айер Паблишинг. ISBN 0-8337-3463-6 .