Механические свойства твердых тел в практике (стр. 3 из 8)

3-е допущение. Перемещения точек элемента (или системы элементов), обусловленные его деформацией, весьма малы по сравнению с размерами самого элемента. На основе этого допущения вводится принцип начальных размеров, согласно которому при составлении уравнений равновесия (уравнений статики) элемент или систему элементов рассматривают как недеформируемое тело, имеющее после нагружения те же геометрические размеры, что и до нагружения. Такой подход позволяет пренебречь изменениями в расположении внешних сил при деформировании реального тела. Он справедлив для жестких элементов и систем.

Пусть, например, к элементу, изображенному на рис. 8, подвешен груз F и требуется определить реактивный момент в заделке. По правилам теоретической механики, считающей тела недеформируемыми, m=Fl. В действительности же элемент деформируется(изгибается), точка приложения груза перемещается по вертикали и горизонтали, а момент в заделке m=Fl. Если элемент достаточно жесткий и, следовательно, деформируется мало, то можно пренебречь горизонтальным перемещением и определять момент по первой формуле, полагая l=l₁.

4-е допущение. Перемещения точек элемента(системы элементов) в упругой стадии работы материала пропорциональны силам, вызывающими эти перемещения. Системы, подчиняющиеся такой закономерности, называются линейно-деформируемыми (рис. 9). Для них справедлив принцип независимости действия сил (принцип суперпозиции), который может быть сформулирован следующим образом: результат воздействия нескольких сил равен сумме результатов воздействия каждой силы, прикладываемой в отдельности, и не зависит от последовательности приложения. Этот принцип, широко используемый в теоретической механике, к деформируемым телам применим только при соблюдении трех предыдущих допущений. Он позволяет расчленять сложные задачи на более простые, решение которых известно или легко осуществимо. Иллюстраций может служить рис.10.

Перечисленные допущения являются в сопротивлении материалов основополагающими, но они не исчерпывают всевозможных приемов идеализации свойств материалов и характера деформирования изучаемых объектов. В дальнейшем при рассмотрении конкретных расчетно-теоретических вопросов будут вводиться и другие упрощения. При этом следует всегда иметь в виду, что успешное решение любой практической задачи зависит в первую очередь от умения отделить в реальной конструкции существенные факторы от второстепенных.

1.3.Геометрическая схематизация элементов строительных конструкций

Расчет любого сооружения, конструкции или отдельного конструктивного элемента начинается с выбора расчетной схемы. Она представляет собой упрощенную, идеализированную схему, которая отражает наиболее существенные особенности реального объекта, определяющие его поведение под нагрузкой.

Выбор расчётной схемы в сопротивлении материалов начинается со схематизации свойств материала и характера деформирования твёрдого тела. Вторым шагом является схематизация геометрической формы реального объекта. Формы элементов строительных конструкций весьма разнообразны, однако с достаточной степенью точности их можно отнести к четырём основным категориям.

Брус- элемент, у которого один размер (длина l) значительно превышает два других. Геометрически его можно представить как тело, образованное путем перемещения плоской фигуры 2 вдоль некоторой линии 3, называемой продольной осью бруса (рис.11). Центр тяжести 1 фигуры находится на этой оси, а сама фигура ей перпендикулярна и называется поперечным сечением бруса. Продольная ось, таким образом, является геометрическим местом центров тяжести поперечных сечений, поэтому при переходе от конструктивной схемы к расчётной в большинстве случаев можно не вычерчивать брус полностью, а ограничиться изображением только оси.

Рис.12

Рис.13

В зависимости от ее формы различают брусья прямые (см. рис. 11, а) и кривые (см. рис. 11,6). В строительных конструкциях более распространены прямые брусья. Примером кривого бруса может служить грузоподъемный крюк (рис. 12, а).

Прямой брус постоянного сечения называется призматическим (см. рис. 11, а). Встречаются также брусья с непрерывно меняющимся сечением (например, промышленные трубы, рис. 12,6) и ступенчатые (например, мостовые опоры, рис. 12, в). В зависимости от конструктивного назначения среди брусьев различают стержни, балки (см. рис. 8; 9; 10) и колонны.

Оболочка — тело, ограниченное двумя криволинейными поверхностями, у которого длина и ширина b велики по сравнению с толщиной t (рис. 13, а). Если при тех же соотношениях размеров тело ограничено параллельными плоскостями (рис. 13,6), то оно называется пластиной. К оболочкам относятся стенки сосудов для хранения жидкостей, газов и сыпучих материалов (стенки резервуаров, газгольдеров, бункеров и т.п.), листовые конструкции доменных цехов (кожух доменной печи, воздухонагревателей, пылеуловителя), купола и своды зданий. К пластинам могут быть отнесены плоские днища сосудов, настил рабочих площадок цехов, обшивка каркасных кровельных и стеновых панелей. Толстые пластины принято называть плитами.

Тела, у которых все три размера одного порядка, называются массивами. К ним относятся фундаменты (рис. 13, б), подпорные стены и т. п.

Определение усилий и деформаций оболочек, пластин и массивов в большинстве случаев неосуществимо методами сопротивления материалов. Подобные задачи могут быть решены только с позиций теории упругости, основные предпосылки которой отличаются большей широтой и не ограничиваются такой формой тела, как брус.

1.4.Внешнее воздействие на тело

Классификация нагрузок.

Сооружения, конструкции и их элементы испытывают в процессе возведения и эксплуатации внешние воздействия. К ним относятся силовые воздействия от нагрузок, а также воздействия от изменения температуры, смещения опор, усадки и других подобных явлений, вызывающих реактивные силы.

Нагрузки классифицируют по разным признакам. По способу приложения они могут быть объемными или поверхностными. Объемные силы непрерывно распределены по всему объему, занимаемому элементом. К их числу относятся, например, сила тяжести и силы инерции. Нагрузка, приходящаяся на единицу объема, называется интенсивностью объемной нагрузки. Она выражается в единицах силы, отнесенных к единице объема (Н/м³, кН/м³ и т.д.).

Если внешние силы являются результатом непосредственного взаимодействия элемента с другими телами (твердыми, жидкими или газообразными), то они прикладываются только по площадкам контакта и называются поверхностными. Сюда относятся: давление жидкости или газа на стенки сосуда, снеговая нагрузка на кровлю здания, ветровая нагрузка и др. Давление должно выражаться в единицах силы, отнесенных к единице площади (Н/м², кН/м² и т.д.). Однако в СИ вводится специальная производная единица — паскаль: 1 Па = = 1 Н/м², поэтому интенсивность поверхностной нагрузки р логично также выражать в паскалях и кратных ему единицах (кПа, МПа), но это не всегда удобно.

Поскольку соприкасание реальных, т.е. деформируемых тел, всегда происходит не в точке, а по некоторой, пусть даже очень малой, площадке, все поверхностные нагрузки являются распределенными. Однако в тех случаях, когда площадка контакта пренебрежимо мала по сравнению с размерами нагружаемого элемента, вводят понятие сосредоточенной силы F' как равнодействующей давления по указанной площадке (например, сила, обусловленная давлением обода колеса на рельс, рис. 14)

В практических расчетах часто встречается нагрузка, распределенная по длине элемента конструкции. Так, например, на каждую промежуточную балку перекрытия здания (рис. 15, а) приходится полоса поверхностной нагрузки р шириной а (рис. 15,6). Интенсивность нагрузки, распределенной по длине балки (рис. 15,0),

q = pa (9)

выражается в единицах силы, отнесенных к единице длины (Н/м, кН/м и т.д.).

В рассматриваемом случае интенсивность постоянна по длине, поэтому нагрузка называется равномерно распределенной и графически изображается в виде прямоугольника. Однако интенсивность может быть переменной и тогда нагрузка распределяется по более сложному закону: треугольному (например, при гидростатическом давлении — давлении покоящейся жидкости), трапецеидальному (нагрузка от собственного веса двускатных и односкатных балок), синусоидальному (нагрузка от ветрового напора на элементы типа оболочек) и т. п.

В процессе расчетной схематизации реальные нагрузки не всегда могут быть сведены лишь к сосредоточенным и распределенным силовым воздействиям. Возможны и моментные воздействия — в виде сосредоточенных моментов и моментов, распределенных по длине элемента или его поверхности. На рис. 16 показано, как появляются сосредоточенные моменты т₁, т₂, и т₃ в результате замены бруса его продольной осью и приведения к ней поверхностных сил F₁, F₂ и F₃, приложенных в плоскости чертежа. Сосредоточенные моменты выражаются в единицах силы, умноженных на единицу длины (Нм, кНм и т.д.).

По характеру изменения в процессе приложения нагрузки делятся на статические, динамические и повторно-переменные. К статическим относятся нагрузки, не меняющиеся со временем (например, нагрузка от собственного веса) или меняющиеся настолько медленно, что вызываемые ими ускорения и силы инерции элементов конструкции пренебрежимо малы (например, снеговая нагрузка).