Пластичность для сейсмостойкого проектирования важна для зданий, сооружений и строительных материалов. Обсуждается пластичность и ее значение для проектирования.
Чтобы понять важность пластичности для влияния на характеристики здания, необходимо знать, что такое пластичность. Пластичность в целом получает определение в материаловедении как отношение предельной деформации к деформации текучести материала.
В более широком смысле, мы должны понимать пластичность как способность конструкции подвергаться большим деформациям без разрушения. Согласно специальным положениям, рекомендованным в нормативных документах, детализация конструкции, которая позволяет конструкции получить большую пластичность, чем вклад пластичности материала, называется детализацией пластичности или детализацией пластичности.
Когда конструкция подвергается воздействию динамических сил (что рассматривается как сейсмическая нагрузка), она уже не может оставаться упругой, и следующим этапом является повреждение. Она может пройти через пластическую стадию, разрушение или повреждение, когда жесткость заметно снижается, а деформации резко возрастают даже при небольшой нагрузке.
Эти ситуации должны быть ожидаемы инженером, и мы должны гарантировать, что наша конструкция выдержит эти нагрузки без больших деформаций или без разрушения. Для достижения этой цели мы должны включить или увеличить пластичность здания.
Пластичность конструкционных материалов
Пластичность кирпичной кладки
Одним из широко используемых материалов для строительства зданий является кирпичная кладка, которая изготавливается из обожженных глиняных кирпичей, а также цементного раствора. В районах с равнинной местностью вместо цементного раствора используется грязевой раствор из-за трудностей с ресурсами.
Учитывая их структурные свойства, они могут выдерживать большие нагрузки на сжатие, но слабы на растяжение, как показано на рисунке ниже.
Рис.1. Каменная кладка сильная на сжатие и слабая на растяжение
Здесь сжатие подразумевает сжимание концов стены, что легко выдерживается кладкой. Но при растяжении, то есть при приложении тянущей силы к элементам кладки, кладка не будет находиться в хорошем состоянии.
Пластичность бетона
Бетон – еще один материал, который широко используется в строительстве на протяжении последних 4 десятилетий. В его состав, как известно, входят цемент, заполнители и вода. Здесь заполнители бывают мелкие и крупные, и все они смешиваются вместе с водой в соответствующей пропорции.
Но опять же, бетон хорош при сжатии и слаб при растяжении. Бетон обладает высокой прочностью на сжатие по сравнению с кирпичной кладкой, но слаб на растяжение или так называемое напряжение.
Несмотря на то, что прочность бетона зависит от пропорций воды, большое или малое ее количество влияет на состав бетона и, следовательно, на прочность. Но бетон и кирпичная кладка считаются более хрупкими и разрушаются внезапно.
Пластичность стальной арматуры
Сталь, которая является одним из самых прочных материалов, используемых в строительстве, применяется в бетонных и кирпичных зданиях в виде арматурных стержней. Они доступны на рынке в различных диаметрах. В основном для армирования используются прутья диаметром от 6 мм до 40 мм.
Применение стальной арматуры обусловлено тем свойством, которое приобретает сталь, т.е. она хорошо сопротивляется как сжатию, так и растяжению. И, прежде всего, сталь является пластичным материалом. Это свойство помогло в строительстве использовать сталь для повышения пластичности зданий. Это в конструктивных элементах помогает выдерживать более длительное растяжение без разрушения.
Пластичность армированного бетона
Далее у нас есть бетон, который используется в зданиях вместе со стальной арматурой, что дает железобетон. Таким образом, R.C.C. образует композитный материал.
Размещение стальной арматуры производится таким образом, чтобы под действием предельной нагрузки сталь достигла максимальной прочности при растяжении до того, как бетон достигнет максимальной прочности при сжатии. Это приведет к вязкому разрушению конструкции.
В некоторых конструкциях вязкое разрушение ожидается намеренно. Но это не означает, что дополнительное стальное армирование будет играть хорошую роль. Слишком большое количество стальной арматуры считается вредным.
Необходимость вязкого армирования в строительных конструкциях
Если конструкция может оставаться упругой под действием максимального ожидаемого землетрясения в соответствующем районе, то возникает необходимость в вязком армировании. Но увеличение упругого свойства с требованием было найдено как неэкономичный метод строительства, даже не подходящий для возникновения архитектурно жизнеспособных проектных идей.
Для обеспечения экономичность и безопасность строительных конструкций при неожиданных землетрясениях, выбранный метод заключается в том, чтобы позволить конструкции подвергнуться разрушению либо посредством пластичности, разрушения, дробления и т.д., сохраняя ее прочность для восприятия вертикальной нагрузки, поскольку она подвергается деформациям во время разрушения.
Например, мы рассмотрим колонны, которые должны быть спроектированы с учетом пластичности. Метод заключается в том, чтобы обеспечить ограничение бетона арматурой во избежание смятия продольной арматуры. Это позволит колонне продолжать воспринимать вертикальные нагрузки, даже если она подвергнется растрескиванию, разрушению бетона или выходу стальной арматуры.
При таком расположении материал становится податливым, следовательно, увеличивается жесткость значения силы в конструкции и связанных с ней компонентах уменьшатся. То есть, если бы конструкция оставалась упругой, то внутренние силы и общий сдвиг основания были бы выше.
Здесь общий сдвиг основания можно объяснить как сумму внутренних сдвигающих сил во всех вертикальных элементах конструкции, несущих нагрузку. Таким образом, включение пластичности в материал означает, что мы допустили повреждение конструкции, а значит, уменьшили внутренние силы. Это положение основано на динамическом отклике
Коэффициент модификации или коэффициент пластичностикоторый предусмотрен в строительных нормах и правилах по всему миру. Коэффициент пластичности зависит от реализованной боковой структурной системы. Для систем, которые должны претерпевать большие деформации без разрушения при возникновении повреждений, коэффициент пластичности будет выше.
Таким образом, для структурной системы, которая должна претерпевать только небольшие деформации до разрушения, коэффициент пластичности будет небольшим.
Концепция проектирования пропускной способности для повышения пластичности конструкций
Вышеописанные критерии определяют как метод проектирования пропускной способности, явление встраивания пластичности в строительные элементы. При этом рассматривается проблема определения механизма разрушения элементов.
Идея заключается в том, чтобы заставить конструкцию подвергнуться разрушению вязким способом, сделав мощность конструкции в других возможных режимах разрушения больше.
Рассмотрим два стержня одинаковой длины и площади поперечного сечения. Здесь один из них образует вязкий материал, а другой – хрупкий. Если потянуть эти два бруска с обеих сторон, как показано на рисунке 2, то они сломаются под действием экстремальной нагрузки.
Замечено, что вязкий материал удлиняется на большую величину, а хрупкий материал ломается при небольшом удлинении. Следовательно, среди используемых материалов сталь является более вязким материалом, чем хрупкий бетон.
Вязкий материал против хрупкого материала
Концепция проектирования вязкой цепи в строительстве в соответствии с расчетом мощности. Если хрупкую цепь потянуть с обеих сторон, она внезапно порвется. В цепи первым порвется самое слабое звено. Если мы сделаем самое слабое звено вязким, мы сможем добиться большего удлинения и большей вязкости. В зданиях мы реализуем ту же концепцию в виде вязкой цепи.
Сейсмические силы инерции передаются от перекрытий к балкам, затем к колоннам. Отказ колонны влияет на устойчивость здания больше, чем отказ балки. Поэтому целесообразно делать балки более слабыми вязкими звеньями, чем колонны. Этот метод проектирования называется концепцией “сильная колонна – слабая балка”.
Рис.3. Вязкая цепь в концепции проектирования прочности
Читайте далее:- Виды цепей, используемых в геодезии, их части, испытания и преимущества.
- Концепция проектирования высотных зданий из железобетона.
- Минимальное и максимальное соотношение армирования в различных железобетонных элементах.
- Как контролировать работы по кладке камня и кирпича?.
- Методы улучшения пластичности балок RCC с помощью стержней из армированного волокнами полимера.
- Режимы разрушения в бетонных балках: разрушение при изгибе и сдвиге.
- Дефекты кирпичной кладки из-за некачественного выполнения работ и способы их устранения.