МОСТЫ и МДТТ
МЕХАНИКА ДИСКРЕТНОГО ТВЕРДОГО ТЕЛА
в р е ш е н и и п р а к т и ч е с к и х з а д а ч
В В Е Д Е Н И Е
1. ПРОЛОГ
Строительство гражданских и административных зданий, металлургических заводов и
других объектов промышленного строительства, а также различных видов транспортных
сооружений выполняются на основании предварительно разработанных проектов и в
соответствии с результатами расчетов. Все, что создается руками человека должно отвечать требованиям прочности, надежности и долговечности.
Поведение сооружений и конструкций при эксплуатации – это, прежде всего, поведение
конструкционных материалов под влиянием внешних воздействий. Основными видами
конструкционных материалов для строительства являются керамика, железобетон и сталь. Главным признаком всех конструкционных материалов является дискретность их внутреннего строения.
Дискретность бетона видна невооруженным взглядом. Дискретное строение стали и
керамики проявляется при использовании увеличительного оборудования.
Другим характерным признаком конструкционных материалов является твердость, вследствие чего они объединены в общее понятие: твердое тело.
При различных видах силовых воздействий все эти твердые тела деформируются, т.е.
изменяют исходную форму и размеры. В этой связи общим для них становится понятие: деформируемое твердое тело.
Научным предметом, который рассматривает поведение этих твердых тел при внешних воздействиях, является механика деформируемого твердого тела. В основе всех научных дисциплин, задействованных в науке о прочности, таких как сопротивление материалов,
теория упругости, статика и динамика сооружений, строительная механика, строительные
конструкции и др., лежит модель сплошной среды, наделенной свойствами конкретного
конструкционного материала.
Эта же модель лежит в основе современных вычислительных методов, таких как методконечных элементов, широко используемый в программном обеспечении для расчета напрочность и проектирования сооружений.Испытание бетонного цилиндраГлавным событием в поведении конструкционных материалов при различных видахвнешних воздействий,
Главным событием в поведении конструкционных материалов при различных видах
внешних воздействий, а соответственно и выполненных из них сооружений и конструкций, является разрушение. При силовых воздействиях плотное монолитное исходное строение бетона расчленяется на отдельные фрагменты малых или больших размеров. При сжимающих усилиях отколовшиеся фрагменты железобетона смещаются в направлении, перпендикулярном оси действия нагрузки, выгибая в этом же направлении арматурные стержни.
При растяжении структурные фрагменты бетона, преимущественно больших размеров,
смещаются вдоль оси действия силы.
Аналогичным образом проявляется поведение керамики и металла. Исследования
показали, что прочность керамики и стали, как дискретного твердого тела, определяет
прочность связей между структурными зернами.
Подменяя реальное внутреннее строение конструкционных материалов гипотетической моделью сплошной среды, расчетная модель не рассматривает физические процессы, происходящие в структуре твердых тел, которые порождают их деформацию и разрушение. Механика сплошных сред оперирует исключительно свойствами сплошной среды, которыми она наделяется на основании проводимых экспериментов.
В этой связи под разрушением понимается расчленение сплошной среды на части при превышении внешнего силового воздействия ее прочностных характеристик.
Понятие разрушение твердого тела является весьма обширным. Разрушение может проявляться при силовых, температурных и сейсмических воздействиях, а также в условиях химической агрессии окружающей среды. Практика показала, что в процессе эксплуатации под влиянием многих различных факторов, последовательно нарушается исходное состояние зданий и сооружений.
В железобетонных конструкциях такому разрушению подвержены как бетон, так и арматура. Исследования показали, что химическая агрессия окружающей среды нарушает или существенно снижает связи между структурными частицами, составляющими тело бетона. Начиная с поверхностного слоя происходит последовательное отслоение крупного и мелкого заполнителя бетона. Наличие одновременного силового воздействия повышает вероятность разрушения бетона, а соответственно и самого железобетонного изделия. Наиболее интенсивно коррозия арматурного каркаса происходит после разрушения защитного слоя бетона.
Керамика и железобетон относятся к огнестойким конструкционным материалам, вследствие того, что они не подвержены горению. Однако, при резких сменах температур в этих материалах нарушается их исходное внутреннее строение, вследствие чего создаются условия для разрушения зданий и сооружений при пожарах.
Для кирпичной каменной кладки и железобетонных конструкций наиболее опасным
является период их охлаждения во время ликвидации пожара.
Теоретические прогнозы поведения каменных и железобетонных конструкций при резких сменах температур осложняются тем, что достоверной теории температурных напряжений применимых для керамики и бетону еще не создано. Наибольшую актуальность проблема термической стойкости керамики и бетона приобретает для тепловых агрегатов черной, цветной металлургии, промышленности строительных материалов, энергетики и др.
Керамика способна противостоять химической агрессии перерабатываемого продукта при температурах до 2000 C . Единственным недостатком керамики является ее низкая термостойкость. Технология производства металлов в некоторых видах тепловых агрегатов связана с резкими изменениями температур. При загрузки холодного металлического лома в мартеновскую печь или печь‐ковш температура в печи резко падает. Последующая подача в печь кислорода сопровождается резким подъемом температуры.
В результате таких технологических процессов в керамических изделиях возникают
температурные напряжения, которые разрывают огнеупорные камни на части.
Периодические колебания температур нарушают исходное внутреннее строение керамики, вследствие чего существенно снижается способность огнеупорных изделий сопротивляться высокотемпературной абразивной и химической агрессии перерабатываемого продукта. Огнеупорная футеровка представляет собой также и конструктивный элемент, который в процессе эксплуатации испытывает огромные силовые воздействия.
В результате реактивного противодействия жесткого металлического корпуса печи, огнеупорная кладка испытывает сложнонапряженное состояние двуосного сжатия с растяжением, которое к тому же сопровождается высокотемпературной химической агрессией перерабатываемого продукта.
Для научных дисциплин, основанных на расчетной модели сплошной среды, решение таких инженерных задач наталкивается на непреодолимые трудности.
Другим видом конструкционного материала, который также относится к огнестойким является железобетон. При резких сменах температур происходит разрушение преимущественно поверхностных слоев железобетонных элементов конструкций. Разрушение проявляется расчленением поверхностного слоя на мелкие и крупные фрагменты, размеры которых зависят от особенностей структуры бетона и интенсивности теплового воздействия.
При интенсивных и продолжительных тепловых воздействий наблюдаются более глубокие разрушения. Тело бетона может расчленяться на весьма крупные структурные фрагменты.
При совместном силовом и температурном воздействии на железобетонные конструкции
возможно проявление катастрофических последствий. Катастрофические последствия ожидают здания и сооружения также и в районах с сейсмической активностью. Напряженно‐деформированное состояние, которое испытывают элементы конструкций от воздействия собственного веса сооружения и полезной нагрузки, многократно усиливается при землетрясении.
Анализ характера разрушения железобетонных элементов конструкций при землетрясении показал, что при сейсмическом воздействии монолитное тело бетона расчленяется на множество структурных фрагментов различных размеров.
В зависимости от конструктивных особенностей объектов строительства, качества конструкционного материала, интенсивности и продолжительности сейсмического воздействия, фрагменты бывают больших и малых размеров.
Разрушение бетона даже на локальных участках вызывает существенные проблемы.
В настоящее время для расчетов сооружений и конструкций широко применяются численные методы расчета с использованием специальных компьютерных программ. Математические модели способны учитывать большое количество различных воздействующих факторов. Однако, как показала практика, при использовании расчетной модели сплошной среды, теоретические прогнозы поведение керамики и железобетона при температурных и сейсмических воздействиях, не только количественно, но и качественно не соответствовали результатам практики.
Трудно найти область народного хозяйства, где не используется железо. Наиболее характерным показателем качества стали является ее прочность. В большинстве случаев поведение стали при силовых воздействиях удовлетворительно описывается традиционной расчетной моделью гипотетической сплошной среды. Однако, в условиях многократных воздействиях знакопеременных силовых нагрузок на стальные изделия, расчетная модель сплошной среды наталкивается на существенные трудности.
Статистика показывает, что до 80% поломок и аварий при эксплуатации машин, механизмов и стальных элементов конструкций происходит от усталостной прочности. Феноменологическим понятием усталости, которым наделяется расчетная модель сплошной среды, трудно оперировать в теоретических расчетах. В этой связи проблема усталостной прочности остается не решенной.
Обеспечить надежную работу можно, лишь зная физические процессы, которые происходят в структуре конструкционного материала под воздействием внешних сил и с течением времени. Усталость металла – это изменение внутреннего строения металла в результате многократного (циклического) деформирования, приводящее его к прогрессирующему разрушению. Действие переменных напряжений, сопровождается
образованием и развитием микротрещин в структуре деформированного материала до критического состояния.
Металлические каркасные конструкции широко используются в промышленном, гражданском и транспортном строительстве. Наибольшая их эффективность проявляется при необходимости перекрывать пролеты больших размеров в таких строительных объектах как крытые стадионы, концертные залы, торговые центры. Такие объекты
предусматривают посещение большого количества людей, вследствие чего их безопасность должна быть гарантирована при любых чрезвычайных ситуациях.
Многие преимущества использования в строительстве металлического каркаса перед вариантом из железобетона сочетаются с существенным недостатком. Нельзя исключать возможность возникновения чрезвычайных ситуаций, таких как пожары. При температуре 3000С прочность стальных конструкций уменьшается почти в 7 раз. Локальный нагрев элементов конструкций сопровождается температурной деформацией, которая неизбежно порождает местное коробление металла на этом участке. Такой процесс температурной деформации металла существенно изменяет исходную расчетную схему металлического каркаса, которая предусмотрена исключительно на силовое воздействие.
Таким образом, поведение сооружений и конструкций из керамики, железобетона или стали в условиях чрезвычайных ситуаций, весьма сложно прогнозировать и описать с позиции традиционной расчетной модели сплошной среды. Для решения проблем, характерных для этих условий, возникла необходимость поиска принципиально новой расчетной модели, которая базируется на особенностях внутреннего дискретного строения конструкционных материалов: механики дискретного твердого тела.
Механика дискретного твердого тела наиболее полно раскрывает физические процессы, происходящие в структуре деформируемого твердого тела под влиянием силовых, температурных и сейсмических воздействий. Расчетные модели наглядно иллюстрируют механизм взаимодействия структурных частиц в дискретных телах при формировании различного вида напряженно‐деформированного состояния. При этом раскрываются многие неизвестные ранее закономерности и явления, которые ложатся в основу разработок новых высокоэффективных инженерных решений.
2. ВОСПРИЯТИЕ СОБЫТИЙ С РАЗНЫХ ПОЗИЦИЙ
Механика дискретного твердого тела имеет существенные различия с механикой сплошных сред в восприятии и определении таких событий и процессов как: деформация, разрушение, сжатие, растяжение, изгиб, термическая и сейсмическая стойкость.
Заголовок 6
3. СВЯЗИ В ДИСКРЕТНЫХ СИСТЕМАХ
Окружающий нас мир дискретный и он существует как единое целое благодаря величайшему творению природы, которым являются связи! Понятие «связь» разнообразно и в зависимости от наблюдаемых объектов может иметь различное определение. В элементах как живой, так и неживой природы связи могут быть прочными и слабыми. В зависимости от условий внешних воздействий, исходные связи могут ослабевать, т.е. деформироваться. Достигнув своего предела деформации, связи разрушаются.
Связанные между собой цементным тестом щебень и песок образуют бетон.
Таким образом, мир в котором мы живем дискретный, и каждая система в нем функционирует исключительно благодаря связям. Характеристики любого объекта наблюдения определяют связи между составляющими их дискретными элементами. Прочность связей обеспечивает целостность наблюдаемого объекта. Нарушение же связей часто приводит к катастрофическим последствиям.