2.7. Факторы, влияющие на прочность материала и
вызывающие разрушение конструкций

Разрушение при длительном действии нагрузки (длительная прочность). Развивающийся во времени процесс разрушения связывают с явлением ползучести, вследствие чего происходит накопление повреждений. Кривую длительной прочности строят в координатах напряжение-время до разрушения для данного напряжения. В двойных логарифмических координатах часто получают два отрезка прямых. Первый участок соответствует вязкому разрушению при высоких уровнях нагрузок, второй участок соответствует хрупкому разрушению в результате накопления микротрещин в межзеренных образованиях [149].

Значение длительной прочности бетона получают экстраполяцией опытных данных

где t - время выдержки старого бетона под действием длительной нагрузки. Верхней границе трещинообразования соответствует дифференциальная величина коэффициента поперечной деформации, равная 0,5. При v > 0,5 наступает интенсивный деструктивный процесс, сопровождаемый увеличением объема материала.

Длительное ступенчатое нагружение приводит к повышению длительной прочности. Причиной этого является приспособляемость материала и снижение концентрации (релаксация) напряжений за счет ползучести, создаются условия для более синхронного разрушения отдельных объемов материала, вследствие этого рекомендуется постепенное нагружение конструкции в течение нескольких месяцев.

Снижение длительной прочности материалов (например, бетонов) связывают с проявлением их вязких свойств, приводящих к росту деформаций и достижению их предельных значений при меньших нагрузках, чем при кратковременных испытаниях.

Повышенная ударная прочность материала также связана с проявлением мгновенных сил вязкого сопротивления, тормозящих развитие деформаций материала.

Циклическая долговечность. Под циклическим нагружением понимают изменение во времени силовых, деформационных или температурных параметров. Материалы подразделяют на циклически упрочняющиеся, циклически разупрочняющиеся и циклически идеальные [82]. Особенностью циклических деформаций упругопластических и вязко-пластических тел, в отличие от упругих, является влияние предыстории на состояние в данный момент времени [29, 30].

61

Классическая теория упругости не различает случаи первичного и последующего нагружения. Наличие упругого гистерезиса вследствие разного рода несовершенств приводит к тому, что каждый элемент циклически деформируемой среды становится своего рода источником тепла. Повышение температуры приводит к появлению температурных напряжений и может вызвать изменение упругих констант.

Под циклической долговечностью понимают наступление предельного состояния при циклическом изменении пластической деформации или напряжения.

С. Мэнсон предложил следующую эмпирическую формулу для вычисления циклической долговечности

где Δε_p - размах циклической деформации за каждый цикл; α > 0 и с >0 - постоянные для данного материала величины. В случае симметричного цикла ε"_p= - ε"_p=ε_p

Л. Кофин и его сотрудники по результатам опытов с чистыми металлами и сплавами при осуществлении симметричных циклов по деформациям получили α = 1/2. Для определения постоянной с используются опыты на разрушение при монотонном нагружении. При этом Δε_p= ε _b, N=1/4, c=ε _b/2, где ε _b - деформация, при которой наступает разрушение.

По данным японских специалистов ответственным за нарушение циклической прочности является сумма ε"_p за Nциклов. Д.Мартин полагает, что исчерпание долговечности наступает в том случае, когда суммарная площадь гистерезиса, связанная с упрочнением материала, достигает критического значения. Неупрочняющийся материал никогда не разрушится при циклической пластической деформации.

Усталостное разрушение происходит при достижении критического уровня дефектов структуры. В металлах разрушение является следствием накопления числа дислокаций при каждом загружении и концентрации их около стыков зерен с последующим скоплением в большие группы. С каждым циклом деформации в поврежденном месте возрастают, а металл разрыхляется. Площадь петли гистерезиса характеризует энергию, затраченную при каждом цикле на образование новых несовершенств. Термически упрочненные стали имеют пониженный предел выносливости. Повысить сопротивление усталостному разрушению металлических конструкций можно следующими мероприятиями:

• при незначительной концентрации напряжений - переходим от малоуглеродистой стали к стали повышенной прочности;
• при значительной концентрации напряжений - путем сглаживания силового потока, переходя к конструкциям с мягкой концентрацией; снижением концентрации напряжений обработкой; отводом силового

  62

  потока от места острой концентрации; предварительной вытяжной конструкции; созданием благоприятных внутренних напряжений.

Для бетона предел выносливости почти линейно зависит от числа циклов повторной нагрузки и коэффициента асимметрии. Наименьшее его значение R_r = 0,5R_ви, как показывают исследования, связано с началом образования структурных микротрещин. С каждым последующим циклом неупругие деформации накапливаются. После достаточно большого числа циклов неупругие деформации выбираются и бетон начинает работать упруго.

Начальные (остаточные, собственные или внутренние) напряжения. Появляются в процессе изготовления элемента или конструкции (например, при остывании, отливке, прокате изделия, сварки элементов и т.п.), либо во время эксплуатации (например, после доведения напряжений в элементах конструкции до величин, превышающих предел текучести, и последующей разгрузки). По предложению Н.Н. Давиденкова начальные напряжения разделены на три вида в зависимости от величины объема, в пределах которого они уравновешиваются. Напряжения первого вида (рода) уравновешиваются в пределах всего тела и влекут за собой изменения формы детали. Напряжения второго вида уравновешиваются в пределах отдельных зерен металла или их частей (блоки мозаичной структуры, пачки скольжения), а третьего вида - в пределах группы атомов (дефекты атомной решетки в окрестности дислокаций). Напряжения второго и третьего вида существенно влияют на физико-механические свойства материала. Остаточные усилия являются самоуравновешенными.

С остаточными напряжениями связан эффект Баушингера - после того как материал испытал воздействие осевого усилия одного знака в области пластических деформаций, сопротивляемость материала пластической деформации при воздействии сил другого знака понижается.

Выделим характерные причины и виды повреждений для основных несущих конструкций.

Разрушения от смещения опор. Перемещение опор в статически неопределимых системах приводит к разрушению конструкций (рис.2.9) и узлов сопряжений (рис.2.8).

Рис.2.9. Разрушение железобетонной балки от смещения опоры:
а)- по растянутой зоне; 6)- по сжатой зоне; в)- по наклонному сечению

63

Рис.2.10. Разрушение металлической балки при смещении её опоры

Рис.2.11. Разрушение сборного стыка балки с колонной при растяжении в верхней а) и нижней 6) зонах

Разрушения конструкций при перевозке. Транспортные нагрузки имеют динамический характер. По СНиП 2.03.01-94 при расчетах к нагрузке от массы конструкции вводят коэффициент динамичности, равный 1,6. Во время перевозки и монтажа длинномерных конструкций возникают значительные изгибающие моменты, приводящие к разрушению или появлению недопустимых трещин. В [891] приведены схемы оптимального расположения опор.

Разрушение при складировании. Часто строительные площадки ограничены по размерам, изделия приводятся бессистемно, складирование и хранение производится с отступлением от требований норм - площадки не выровнены, прокладки не поставлены или поставлены неправильно, высота штабелей произвольная, расположены они вблизи проезжей части и транспорт иногда повреждает конструкции, марки изделий не видны, имеет место совместное хранение изделий разных видов и назначения. Иногда дефекты появляются при неправильном хранении и поврежденные конструкции используются при строительстве.

Разрушение конструкций при консервации объектов. В [99] отмечены причины повреждения конструкций. Наблюдения автора приведены в главе 5.

Чрезмерная снеговая нагрузка. 22 января 1922 г. в Вашингтоне рухнуло перекрытие над зрительным залом. 91 человек погиб и около 200 ранены. Причиной явилась перегрузка в период сильного снегопада.

В [143] отмечается, что удельный вес свежевыпавшего снега колеблется от 0,5 до 1 кН/м³. К концу зимы он увеличивается до 2...5 кН/м³. На отдельных участках кровли образуются снеговые "мешки" и наледь. Высота снежной засыпки здесь может достигать 2 м и более.

Перегрузка от веса производственной пыли. Высота насыпки достигает нескольких метров. Удельный вес пыли резко увеличивается при насыщении её водой. Случай обрушения плит перекрытий имел место на Липецком металлургическом и Уваровском химическом комбинатах. Своевременная очистка крыш и перекрытий пыли и снега позволит избежать аварий.

64

Воздействие блуждающих токов. Подземные металлические и железобетонные конструкции могут разрушаться под действием блуждающих токов, появляющихся из-за утечки электроэнергии с рельсов электрофицированных железных дорог или от других источников. В конструкции образуется катодная зона и протекает реакция восстановления, т.е. подщелачивания грунта [13]. Там, где грунты обладают высокой электропроводностью, ток снова стекает в грунт, а на конструкции образуются анодные участки - происходит стекание в грунт токов металла и его разрушение. Блуждающие токи распространяются на десятки километров в стороны от источника. Зарегистрированы случаи разрушения конструкций блуждающими токами через несколько месяцев после их возведения [13].

Температурно-влажностные деформации. Они определяются комплексом нескольких факторов [107]: технологическими режимами изготовления и монтажа конструкций, сезонными и суточными колебаниями температуры, условиями и характером увлажнения. При этом происходят линейные деформации (удлинение и укорочение), объемные (усадка и набухание), изменение структуры и его разрушение при замерзании свободной влаги внутри конструкции. В большинстве случаев усадочные деформации наносят ущерб только внешнему виду здания. Приведем некоторые данные о величинах усадки (табл.2.11).

Таблица 2.11

Температурные трещины возникают при жестких соединениях материалов с разными коэффициентами линейного расширения. Суточные перепады температур в отдельных районах страны достигают 100 °С. В кирпичных стенах температурные деформации появляются в виде вертикальных трещин в средней части здания (рис.2.12), в крупноблочных наблюдается разрыв перемычечных поясов, сдвиг перемычечных блоков, и образование вертикальных или косых трещин в простенках (рис.2.13). В отдельных случаях, например, крупноблочные здания с продольными несущими стенами и сборными перекрытиями, вертикальные трещины распространяются на всю высоту стен.

Разрушение гидроизоляции. Влага является сильнодействующим фактором в разрушении материалов и конструкций. Грунтовая вода поднимается в конструкции под действием капиллярных и осмотических сил. На практике приходится встречаться с увлажнением стен первого этажа. В Воронеже после пуска в эксплуатацию водохранилища стены расположенной на пойме церкви стали мокрыми на высоту до 5 м. Схемы разрушения вертикальной гидроизоляции стен подвала, заимствованные из [138], приведены на рис. 2.14. Последствием увлажнения является промерзание

65

конструкций (теплопроводность влажного материала во много раз выше, чем сухого) [13].

Рекомендации по восстановлению гидроизоляции даны в [102]. Применяют цементно-жидкостекольные составы.

Рис.2.12. Разрывы кладки кирпичного дома серии 1-447 (Норильск)

Рис.2. 13. Температурные деформации блочных зданий:
а) - характер усадочных трещин, б)- смыкание трещин, свидетельствующее об
общих температурных деформациях

Рис. 2.14. Характер повреждения гидроизоляции фундаментов стен подвала:
а) схема фундамента; б), в) схемы повреждения гидроизоляции соответственно одной
и несколькими трещинами; 1 - фундамент; 2 - пол; 3 - рулонная горизонтальная
гидроизоляция; 4 - стена подвала; 5 - стена здания; 6 - горизонтальная гидроизоляция;
7 - вертикальная гидроизоляция; 8 - участок повреждения горизонтальной гидроизоляции; 9 - трещина.

66

Наклеп. Совокупность явлений, связанных с изменением механических и физико-химических свойств металлов в процессе пластической деформации, называется упрочнением или наклепом. В деформируемом металле с увеличением степени деформации возрастают: пределы упругости, пропорциональности, текучести и прочности, твердости, электрическое сопротивление; уменьшаются: относительное удлинение, относительное сужение, ударная вязкость, сопротивление коррозии, теплопроводность. Увеличение прочностных характеристик объясняется возрастающим по мере деформирования сопротивлением смещению дислокации.

Старение материала. В некоторых материалах при неизменных внешних условиях с течением времени происходит изменение свойств. Прочность бетона, приготовленного на портландцементе, интенсивно возрастает в первые 28 суток, на пуццолановом и шлаковом портландцементе - в первые 90 суток. В последующем при положительной температуре и влажной среде прочность бетона может возрастать в течение длительного времени. Связано это с длительным процессом образования цементного камня.

Длительность процесса старения стали в разных случаях изменяется от нескольких суток до многих десятков лет. При этом уменьшается относительное остаточное удлинение, повышается предел текучести, уменьшается ударная вязкость.

В пластмассах во времени происходят внутренние относительные процессы, снижающие механические свойства.

В битуме со временем повысится хрупкость и снижается гидрофобность. Этот процесс ускоряется под действием солнечного света и кислорода воздуха вследствие возрастания количества твердых хрупких составляющих при уменьшении смолистых веществ и масел.

Эффект П.А. Ребиндера. Он заключается в облегчении деформации и разрушении твердых тел при протекании их в среде, содержащей вещества, обладающие физико-химическим сродством к данному телу. Адсорбция поверхностно активных молекул расширяет (расклинивает) слабые места в окрестности дефектов у поверхности материала и способствует развитию микрощелей.

Принцип наименьшего сопротивления Г. Треска. Он сформулирован следующим образом (С.И. Губкин, 1947): в случае возможности перемещения точек деформируемого тела в различных направлениях, каждая его точка перемещается в направлении наименьшего сопротивления.

Фундаментальной аксиомой реологии является утверждение о наличии у каждого из жидких и твердых тел реологических свойств, проявляемых в разных телах и в различных условиях, но в неодинаковой мере.

Влияние скорости деформирования. Установлено, что чем больше скорость деформации, тем выше расположен пластический участок диаграммы, меньше длина пластического участка, материал становится более хрупким, наблюдается уменьшение его упрочнения.

67

Кроме того, влияние скорости деформаций на сопротивление материала зависит от вида, химического состава, температуры, предистории, формы и размеров конструкции, наличия разного рода дефектов.

Пластическая деформация сопровождается необратимыми изменениями структуры. При статическом нагружении процесс перестройки структур успевает "следить" и следовать за деформацией. В случае быстрых нагружении процесс перестройки внутреннего строения отстает от деформации, а для получения одной и той же деформации требуется большое напряжение.

Процесс разрушения. Разрушение материала рассматривается как процесс и проходит в три стадии. На первой происходит накопление повреждений - распределенных по объему микротрещин. Они растут, сливаются и образуются макротрещины. На второй стадии размеры трещин увеличиваются до критических. На третьей стадии происходит динамическое развитие трещин и разделение конструкции на части. При длительном нагружении одновременно могут происходить процессы залечивания повреждений и охрупчивание, процессы пластичности и ползучести. Критерием разрушения материала является предельное значение меры повреждения.

Концентрация микротрещин перед слиянием их в макротрещины зависит от уровня нагрузки, скорости нагружения, начальных дефектов, модулей упругости и поперечного расширения, коэффициента вязкости, величин относительных (по отношению к критическим) деформаций и перемещений.

Начало разрушения зависит не только от величин главных напряжений, но и от соотношения между ними.

Выпучивание при ползучести. Тонкостенные конструкции проектируют для работы в упругой области при нагрузках ниже критических. Деформация ползучести влечет за собой потерю устойчивости меньше критической в течение некоторого промежутка времени. Это время (критическое) должно было больше требуемого периода эксплуатации.

Разрушение при ползучести. Как известно, процесс ползучести заканчивается либо вязким разрушением, обусловленным наличием больших деформаций, либо хрупким - из-за "охрупчивания" материала. Наиболее коварным является механизм хрупкого разрушения, происходящий при небольших уровнях деформации. Повреждение металлических материалов при высоких температурах и, как следствие их охрупчивание, происходит в основном путем зарождения и роста микротрещин и пор (15]. Для интерпретации поврежденности используют феноменологический и физический подходы.

При феноменологическом подходе используют истинное напряжение σ^* = σ/(1-ω), где ω - параметр поврежденности. Кроме того, поврежденности рассматривают как некоторый макроскопический внутренний параметр состояния. Скорость деформации ползучести ε _c=f(σ,ω) при 0 ≤ω≤ 1 и ω= g(σ,ω).

68

Получают одномерные уравнения ползучести

где В, D, n₁, n₂, k₁, k₂ - материальные константы, определяемые из базисных кривых ползучести.

При физическом подходе рассматривают [15] зарождение и рост пор, скорость возникновения пор п и скорость увеличения размеров поперечного сечения а. Полная площадь А сечений пор является мерой поврежденности материала. Число пор, зародившихся за интервал времени (τ_i, τ_i+1) = n(τ_i)Δτ. Скорость роста пор в момент t, зародившихся в момент τ_i - a(t, τ_i), тогда

где N - число интервалов (τ_i τ_l+1).

Циклическое разрушение. В [15] отмечены следующие основные формы разрушения:

• сильное искажение формы вследствие локальной потери устойчивости либо пульсирующего нарастания необратимых деформаций;
• комбинированное накопление повреждений и вследствие ползучести, и обусловленное усталостью материала при циклическом нагружении;
• усталость при высокочастотном циклическом нагружении.

Повреждение от усадки. Деформации усадки бетона происходят в атмосферных условиях при недостаточной влажностной, контракционной и карбонизационной деформации. Влажностная составляющая играет ведущую роль в суммарной усадке. Она вызывается изменением распределения, перемещением и испарением влаги в цементном камне. Контракционная усадка возникает вследствие того, что объем новообразований цементного камня меньше объема, занимаемого веществами, вступившими в реакцию. При этом уменьшается объем пор, занимаемых водой, возникают воздушные поры. Карбонизационная усадка вызывается карбонизацией гидрата окиси кальция и развивается с поверхности бетона в глубину. Усадка бетона уменьшается при уменьшении расходов цемента, воды и водоцементного отношения, возрастает с возрастом бетона. Высыхание бетона начинается с испарения воды из крупных пор. Усадка происходит тогда, когда относительное по массе количество воды в порах достигает критического значения (0,013). Сокращение объема приблизительно пропорционально потере влаги ниже критического значения.

Зарубежные специалисты выделяют три основные причины потери функциональности (отказа) конструкций, ведущие к снижению прочности:

• технические, вызванные старением материала;
• внешние, вызванные загрязнением среды, авариями, землетрясениями;

69

• человеческие (ошибки и действия), возникающие при проектировании, строительстве и эксплуатации.

В современных теориях часто не учитываются:

• работа материала в условиях сложного нагружения;
• чувствительность материала к виду напряженного состояния;
• взаимное влияние процессов пластичности и ползучести;
• развитие процессов разрушения во времени.

Разрушение от взрыва. Случаи взрыва газа в крупнопанельных домах описаны в [1121. При этом выделены следующие повреждения:

• локальные повреждения - появление трещин, около»"и перемещений несущих конструкций без их разрушения;
• локальное разрушение - обрушение стеновых панелей и плит перекрытий одного этажа;
• частичное обрушение - разрушение и обрушение стеновых панелей и плит перекрытий до трех этажей здания;
• прогрессирующее обрушение - разрушение и обрушение несущих конструкций свыше трех этажей здания.

Приведем пример. В мае 1968 г. в Лондоне на 16 этаже произошел взрыв газа в угловой комнате. Были разрушены плиты перекрытия и выбиты наружные стеновые панели. Не имея опоры, плиты верхних этажей рухнули. Произошло прогрессирующее разрушение. Основной причиной этого явилось отсутствие сварных соединений элементов. После разрушения дома пересмотрены английские стандарты, согласно которых усиливались крупнопанельные дома повышенной этажности и в зданиях выше 10 этажей рекомендовано перейти на электроплиты.

Причинами взрыва газа являются: подача в сеть низкого давления природного газа среднего давления; коррозия подземного газопровода и утечки газа; повышение давления в распределительном газопроводе; утечка газа из горелки; закупорка вентиляционных сеток. Для повышения несущей способности и устойчивости зданий необходимо надежное сварное соединение конструкций. При этом от взрыва должны произойти лишь местные повреждения, а затем образовываться вторичная несущая система.

Изменение работы несущих конструкций в период строительства. Конструкции часто рассматривают независимо одна от другой. После заделки швов и стыков, проведения сварочных работ образуется жесткая пространственная система. Между конструкциями возникают сложные системы сил взаимодействия (рис. 2.13, Байков В.Н., Хампе Э., Рауэ Э. Проектирование железобетонных тонкостенных пространственных конструкций. - М.: Стройиздат, 1990. - 213 с.).

Совместная работа конструкций приводит к уменьшению напряжений в отдельных сечениях и увеличению в других. Известны эксперименты, в которых отмечалась существенная перегрузка ребер панелей, расположенных по краям перекрытий.

При эксплуатации зданий и сооружений в отдельных зонах происходит расстройство стыковых сопряжений и жесткость уменьшается. Кроме того, вследствие неравномерных осадок грунтового основания, температурных

70

и силовых деформаций, жесткость отдельных фрагментов-зданий или конструкций уменьшается.

Рис. 2.15. Комбинированная система, состоящая из длинной цилиндрической
оболочки и пристроек с плоским перекрытием:
а) - схема покрытия; 6) - то же пристройки, усиленной торцевыми диафрагмами; 1 -
цилиндрическая оболочка; 2 - бортовой элемент оболочки; 3 - торцевая диафрагма
оболочки; 4 - плоские перекрытия пристроек; 5 - ряды колони; 6 - торцевые диафрагмы пристроек.

Износ - постоянно происходящее уменьшение размеров конструкций, вызванное удалением частиц материала с контактирующей поверхности при механических воздействиях. Износы подразделяются на: адгезионный, абразивный, коррозионный, усталостный, поверхностный, деформационный, ударный, фреттинг-износ.

Адгезионный износ является основным. Давления в местах контакта могут достигать и превышать предел текучести. Атомы контактирующих материалов могут настолько сближаться, что начинают действовать межатомные силы сцепления (происходит процесс холодной сварки). При скольжении контакты разрушаются.

Абразивный износ характеризуется удалением частиц с поверхности под действием шероховатостей более твердой контактирующей поверхности.

Коррозионный износ происходит при одновременном взаимодействии адгезионного или образивного износа и коррозии.

Усталостный износ возникает в условиях контакта качения двух поверхностей. Вблизи поверхности конструкции возникает знакопеременное поле циклических напряжений.

Деформационный износ проявляется вследствие повторных пластических деформаций. Ударный износ наблюдается при соударениях. Часто при этом имеет место качение или скольжение.

71