Динамические показатели свойств строительных материалов.
Известно, что сопротивление строительных материалов различным механическим воздействиям не одинаково и зависит от вида и характера приложения нагрузки. При статических нагружениях материала силы инерции не принимают участия и не оказывают влияния на результаты прочности этого материала.
При динамических нагрузках в материале возникают различные волновые процессы и силы инерции влияют на результаты прочности. Таким образом, одни и те же материалы с одинаковыми механическими свойствами при статических и динамических способах нагружения будут давать различные показатели прочности.
Этот вопрос заслуживает особого внимания, так как в практике строительные материалы испытываются преимущественно статическими нагрузками. Однако в некоторых случаях (в дорожном деле и т. д.) строительные материалы воспринимают динамические нагрузки. Отсюда возникает необходимость в определении динамических показателей свойств материала и установления корреляционной связи с показателями, полученными при статических испытаниях.
Основными динамическими показателями свойств строительных материалов являются коэффициент крепости, динамические — твердость, модуль упругости, коэффициент Пуассона, модуль сдвига, динамическая удельная энергоемкость разрушения, акустическая жесткость и скорость прохождения упругих волн.
Коэффициент крепости по Протодьяконову определяется методом толчения на специальном приборе и основан на пропорциональности затраченной работы при дроблении материала полученному объему материала после дробления.
Акустическая жесткость характеризуется сопротивляемостью материала распространению упругой волны и определяется как произведение плотности материала на скорость продольной волны.
По скорости прохождения упругих волн (продольной и поперечной) судят о строении и структуре материала, напряжениях под нагрузкой и его динамических и упругих свойствах.
Динамические нагрузки и колебательные процессы. Строительные конструкции при их эксплуатации наряду с воздействием статических нагрузок очень часто подвергаются динамическим воздействиям. Источниками, вызывающими динамические нагрузки, являются технологическое, грузоподъемное и транспортное оборудование, ветровая нагрузка и т. д.
Динамические нагрузки могут действовать на конструкцию непрерывно и периодически. Динамическая нагрузка в отличие от статической изменяется очень быстро и сопровождается значительными силами инерции движущихся масс, а также колебательными процессами.
Основными характеристиками колебательных процессов являются: амплитуда колебаний, характеризуемая величиной наибольшего отклонения колеблющейся массы от среднего или нулевого положения, и период колебаний — промежуток времени между двумя последовательными одинаковыми состояниями системы. В практике вместо периода колебаний часто используется обратная величина, называемая частотой колебаний.
Наиболее простым и распространенным видом колебаний являются гармонические колебания, выражаемые формулой.
Колебания бывают затухающие и незатухающие.
Если амплитуда колебаний остается все время постоянной, колебания называют незатухающими. Если же амплитуда колебаний с течением времени изменяется, т. е. уменьшается или увеличивается, колебания называются затухающими.
Каждому упругому телу или конструкции свойственны определенный период и частота колебаний, которые называются собственными колебаниями. Собственные колебания, выведенные из положения равновесия упругого тела, постепенно затухают, если нет внешних сил, поддерживающих эти колебания. Если такие силы существуют и периодически будут изменяться, то под их действием упругое тело будет колебаться. Такие колебания называются вынужденными колебаниями, а вызывающая их сила называется возмущающей силой.
Если частота возмущающей силы совпадает с частотой собственных колебаний, амплитуда колебаний упругого тела начинает возрастать. Такое непрерывное возрастание амплитуды колебаний называется резонансом.
Резонанс опасен для конструкций и сооружений, так как с возрастанием амплитуды колебаний возрастают напряжения и деформации, что может привести к разрушению конструкции. В связи с этим конструкции, подвергающиеся действию динамической нагрузки, рассчитываются таким образом, чтобы частота их собственных колебаний не совпадала с частотой вынужденных колебаний, вызываемых возмущающей силой.
Измерения механических колебаний. Для измерения механических колебаний строительных конструкций и сооружений применяются виброметры. Виброметры, предназначенные для определения частоты колебаний, называются частотомерами, для определения амплитуды колебаний — амплитудомерами.
Простейшая конструкция частотомера состоит из набора стальных полосок, которые одним концом закреплены, а на другом снабжены грузами. Величина грузов подобрана так, что полоски настроены на различные частоты.
Прибор прикрепляется к колеблющейся конструкции и следят за состоянием полосок. Если какая-нибудь из полосок с заранее известной собственной частотой окажется в состоянии резонанса, значит, ее собственная частота ближе всего к частоте колебаний конструкции. Зная частоту колебаний полоски, определяют частоту колебаний конструкции.
черт. № 119. Схема вибромарки:
а — при вибрации; б — без вибрации
В качестве приборов для измерения амплитуды колебаний без записи виброграмм могут использоваться вибромарки, индикаторы, маятники и другие приборы.
