Înainte de a utiliza orice material de construcție, este necesar să se studieze datele sale de rezistență și posibila interacțiune cu alte substanțe și materiale, combinabilitatea lor în ceea ce privește comportamentul adecvat sub aceleași sarcini pe structură. Modulul de elasticitate — numit și modulul Young — joacă un rol decisiv în rezolvarea acestei probleme.
Tabla de conținut:
Rezistența ridicată a oțelului permite utilizarea acestuia în construcția clădirilor înalte și a structurilor deschise ale stadioanelor și podurilor. Adăugarea anumitor substanțe la oțel care afectează calitatea acestuia se numește aliere, iar aceste adaosuri pot dubla rezistența oțelului. Modulul de elasticitate al oțelului aliat este mult mai mare decât al oțelului obișnuit. Rezistența în construcții este de obicei obținută prin selectarea secțiunii transversale a profilului din motive economice: oțelurile puternic aliate au un cost mai ridicat.
În continuare, va fi discutată semnificația termenului, variabilitatea acestuia pentru diferite clase de oțel. Valorile modulului altor materiale vor fi date pentru comparație.
Cuprins
Semnificația fizică
Denumirea modulului de elasticitate ca mărime fizică — (E), acest indicator caracterizează rezistența elastică a materialului produsului la sarcinile deformante aplicate acestuia:
- longitudinale — tracțiune și compresiune;
- transversale — încovoiere sau forfecare;
- volumetrice — torsiune.
Cu cât valoarea (E) este mai mare, cu atât rezistența materialului la solicitări este mai mare, cu atât mai rezistent va fi produsul realizat din acest material și cu atât mai ridicată va fi limita de rupere. De exemplu, această valoare este de 70 GPa pentru aluminiu, 120 GPa pentru fontă, 190 GPa pentru fier și până la 220 GPa pentru oțel.
Definiție
Modulul de elasticitate este un termen compozit care încorporează alți indicatori fizici ai proprietății de elasticitate a materialelor solide — sub influența unei forțe de a se schimba și de a-și recăpăta forma anterioară după încetarea acesteia, adică deformarea elastică. Acesta este raportul dintre tensiunea din produs — presiunea forței pe unitatea de suprafață, și deformarea elastică (valoare adimensională determinată de raportul dintre dimensiunea produsului și dimensiunea sa inițială). Prin urmare, dimensionalitatea sa este aceeași cu cea a tensiunii — raportul forței pe unitatea de suprafață. Având în vedere că, în sistemul metric SI, stresul se măsoară de obicei în pascali, la fel se întâmplă și cu rezistența.
Există o altă definiție, nu foarte corectă: modulul de elasticitate este presiunea capabilă să dubleze alungirea produsului. Dar rezistența la curgere a unui număr mare de materiale este mult mai mică decât presiunea aplicată.
Moduli de elasticitate, tipurile lor
Modalitățile de modificare a condițiilor de aplicare a forței și a deformațiilor provocate de aceasta sunt numeroase, iar acest lucru implică un număr mare de tipuri de module de elasticitate, dar în practică, în funcție de sarcinile deformante, se disting trei principale:
- Modulul lui Young (E) reprezintă rezistența elastică la sarcinile de tracțiune și compresiune — de fapt, acesta este termenul utilizat atunci când vorbim despre modulul de elasticitate;
- modulul de forfecare (G) caracterizează rezistența la orice perturbare a formei fără ruperea sau schimbarea normei sale — este raportul dintre sarcina de forfecare și deformare, manifestat ca variabilitatea unghiului drept dintre cele două jumătăți ale planului supus sarcinii. A doua denumire a acestui termen este rigiditate și reprezintă, de asemenea, ductilitatea unui material;
- modulul de elasticitate masivă (K) — rezistența la modificarea volumului în cazul unor tensiuni aplicate diferențiat în mod normal, de mărime egală în toți vectorii. Se mai numește și modul de compresiune volumetrică și este exprimat prin raportul dintre presiunea volumetrică și deformarea volumetrică prin compresiune.
Acești indicatori ai caracteristicilor de elasticitate nu sunt epuizați, există și alții care poartă alte informații, au o altă dimensionalitate și semnificație. Acest lucru este, de asemenea, cunoscut pe scară largă în rândul specialiștilor indicatori de elasticitate Lame și coeficientul lui Poisson.
Cum se determină modulul de elasticitate al oțelului
Pentru a determina parametrii diferitelor clase de oțel, există tabele speciale în documentele normative din domeniul construcțiilor — în codurile și reglementările de construcție (SNiP) și standardele de stat (GOST). Astfel, modulul de elasticitate (E) sau modulul de elasticitate Young al fontei albe și gri este de la 115 la 160 GPa, ductil — 155. În ceea ce privește oțelul, modulul de elasticitate al oțelului C245 — oțel carbon are valori de la 200 la 210 GPa. Oțelul aliat are valori puțin mai mari — de la 210 la 220 GPa.
Aceeași caracteristică pentru oțelurile obișnuite St.3 și St.5 are aceeași valoare — 210 GPa, iar pentru oțelurile St.45, 25G2S și 30CGS — 200 GPa. După cum putem vedea, variabilitatea (E) pentru diferite clase de oțel este nesemnificativă, dar în produse, de exemplu, în cabluri — o imagine diferită:
- toroane și bobine de sârmă de înaltă rezistență au 200 GPa;
- frânghii de oțel cu miez metalic 150 GPa;
- cabluri de oțel cu o miez organic de 130 GPa.
După cum se poate observa, diferența este semnificativă.
Valorile modulului de forfecare sau rigiditatea (G) pot fi observate în aceleași tabele, acestea au valori mai mici, pentru oțelul laminat — 84 GPa, oțelul carbon și oțelul aliat — de la 80 la 81 gpa, iar pentru oțelurile St.3 și St.45-80 GPa. Motivul pentru diferența valorilor parametrului de elasticitate este acțiunea simultană a trei module de bază calculate prin metode diferite. Cu toate acestea, diferența dintre ele este mică, ceea ce indică faptul că precizia studiului elasticității este suficientă. Prin urmare, nu este necesar să vă opriți asupra calculelor și formulelor, ci să luați o valoare specifică a elasticității și să o utilizați ca o constantă. Dacă nu faceți calcule pe modulele individuale și faceți un calcul al complexului, valoarea (E) va fi de 200 GPa.
Trebuie înțeles că aceste valori diferă în cazul oțelurilor cu aditivi diferiți și al produselor din oțel care includ părți fabricate din alte substanțe, dar aceste valori diferă nesemnificativ. Principala influență asupra indicelui de elasticitate este conținutul de carbon, dar metoda de prelucrare a oțelului — laminat la cald sau format la rece — nu are un impact semnificativ.
La selectarea produselor din oțel, se utilizează și un alt indicator, care este reglementat în același mod ca și modulul de elasticitate în tabelele publicațiilor GOST și SNiP — este rezistența de proiectare la sarcini de tracțiune, compresiune și încovoiere. Dimensionalitatea acestui indicator este aceeași ca modulul de elasticitate, dar valorile sunt cu trei ordine de mărime mai mici. Acest indice are două scopuri: normativ și rezistența de proiectare, denumirile vorbesc de la sine — rezistența de proiectare este utilizată în calculele de rezistență a structurilor. Astfel, rezistența de proiectare a oțelului C255 cu grosime laminată de la 10 la 20 mm este de 240 MPa, în timp ce rezistența normativă este de 245 MPa. Rezistența de proiectare a oțelului laminat de la 20 la 30 mm este ușor mai mică și este de 230 MPa.
