Экспериментальные методы исследования конструкционных материалов и конструкций

В результате изучения данной главы студент должен:

знать

• • возможности современных строительных материалов;
• • набор существующих испытательных машин, установки, приспособления и измерительные устройства для проведения экспериментальных работ;

уметь

• • проводить экспериментальные исследования конструкционных материалов и конструкций;
• • использовать в реальном проектировании знание физико-механических свойств конструкционных материалов и строительных конструкций;
• • выбирать необходимое оборудование для проведения экспериментальных работ;
• • проверять опытным путем результаты теоретического расчета;

владеть

• • информацией о последних достижениях строительной науки в области проведения экспериментальных исследований;
• • основными методами, способами и средствами получения, хранения, переработки информации;
• • навыками работы с лабораторным оборудованием.

Экспериментальные исследования конструкционных материалов и конструкций: начальный этап (XVII-XIX вв.)

В XVII и XVIII вв. экспериментаторы в области механики твердого тела чаще всего ограничивали свои исследования проблемой разрушения, для которой так и не удалось построить правдоподобной теории. Описание экспериментов того времени не было бы полным без показа рисунка опытов Галилео Галилея (рис. 4.1).

Открытие Р. Гуком (R. Hooke) в 1678 г. линейной связи между приложенной силой и удлинением пружин и длинных проволок (рис. 4.2) следует признать уникальным по тому влиянию, которое.

Рис. 4.1. Эксперимент Г. Галилея с балкой. 1638 г.

Рис. 4.2. Приборы для опытов Р. Гука. 1678 г.

оно оказало па научную мысль в течение трех столетий. Гук отмечал, что он впервые открыл этот закон в 1660 г., однако от его опубликования Гука сдерживало стремление защитить свое изобретение спиральных часовых пружин. Тот же закон независимо был открыт Э. Мариоттом (E. Mariotte) в 1680 г. Однако Гук не пришел к открытию модуля упругости E.

Среди тысяч экспериментов опыты Ш. О. Кулона (S.-О. de Kulon) в 1773 г. по сравнению разрушения при растяжении с разрушением при сдвиге были одними из важнейших. В 1780-х гг. Кулон изучал кручение металлических проволок.

К. А. Трусделл (С. A. Truesdell) за 80 лет до того, как Т. Юнг (Т. Young, 1807) ввел в литературу понятия «высота модуля» и «вес модуля», обнаружил идею модуля упругости, вычислив Eсталь/Eлатунь = 2,06. Л. Эйлер также вводил понятие модуля в своей работе в 1766 г. Сам Юнг никогда не вводил понятия «модуль Юнга». У него «высота модуля» зависела от плотности материала, а «вес модуля» — от размеров образца. В принципе, эти величины не являются константами Е. А вот Дж. Риккати (G. Riccati, 1782) экспериментально определил значения Е для двух материалов. Первое экспериментальное утверждение о том, что твердое тело имеет константу упругости материала, не зависящую от размеров образца и плотности тела, сделал Кулон в 1784 г. Многие считают, что труд Т. Юнга «А Course of Lectures on Natural Philosophy and the Mechanical Arts» («Лекции по натуральной философии и механическому искусству»), является набором туманных и неясных сведений по различным вопросам науки и техники. Дж. Ф. Белл писал: «Оценивая Т. Юнга как экспериментатора в области механики твердого тела, следует отметить, что его связь с настоящим экспериментом была минимальной… детали экспериментов в его описании полностью отсутствовали» .

Первый нелинейный закон упругости, основанный на эксперименте, был сформулирован Г. В. Лейбницем (G. W. Leibniz, 1690), который утверждал, что экспериментальные данные Я. Бернулли (J. Bernoulli, 1687) по струне (органика) описываются, по-видимому, гиперболой, в отличие от данных экспериментов Гука (1678) и Мариотта (1700), говоривших в пользу линейного закона.

В 1811 г. Ш. Дюпен (S. Dupin) выполнил серию экспериментов по определению прогибов свободно опертых деревянных балок и обнаружил, что при очень малых действующих нагрузках прогибы пропорциональны им, но по мере роста нагрузки приращения перемещений становятся не прямо пропорциональны соответствующим приращениям нагрузки.

Проводя опыты с железными балками, И. Ходкинсон (I. Hodgkinson, 1831) впервые обнаружил остаточные деформации. В 1839 г. Ходкинсон заметил, что в чугуне напряжения также являются нелинейной функцией деформации.

В 1834 г. Л. Ж. Вика (L. J. Vicat) сделал важное открытие, известное как ползучесть. Вика в своих опытах на растяжение проволоки заметил, что, если осевая нагрузка достаточно велика, проволока при фиксированной нагрузке продолжает удлиняться.

Ш. К. де Латур (С. С. de Latour, 1828) осуществил единственное экспериментальное измерение, подтверждавшее равенство коэффициента Пуассона фиксированному значению, равному 0,25. С. Д. Пуассон (S. D. Poisson, 1827) тотчас же сослался на это измерение как на указание физической применимости своей теории. Только с 1879 г. после появления зеркального тензометра Баушингера стало возможным прямое измерение поперечного сужения стержня при растяжении. Первое успешное измерение и единственные до конца века исчерпывающие исследования были проведены в 1879 г. И. Баушингер (J. Bauschinger) использовал свой зеркальный тензометр при испытании железных и стальных образцов.

Проводя глубокие экспериментальные изыскания на кручение стеклянных нитей, Ф. Кольрауш (F. Kohlrausch) в 1863 г. открыл важное явление в природе — релаксацию напряжений.

Зависимость упругих постоянных от изменения температуры впервые начал изучать Г. Вертгейм (G. Wertheim) с 1843 г. Он показал уменьшение модуля упругости с повышением температуры.

В большинстве работ зарубежных ученых не отражены достижения дореволюционной и советской отечественных школ механики деформируемых тел. Хотя известно, что сидерометр — разрывная машина для испытания цепей и тросов, запроектированная А. Бетанкуром и использованная для испытания цепей для Пантелеймоновского моста Г. Ламе, была установлена на Александровском металлическом заводе (СПб) еще в 1830-х гг. А инициаторами создания первой в России и мире специально оборудованной Механической лаборатории выступили осенью 1849 г. профессора Института корпуса инженеров путей сообщения Ф. И. Сулима и П. И. Собко. Профессор Н. А. Белелюбский (1873) видел ее задачи «в производстве возможно большего числа опытов по определению сопротивления и других механических свойств русских материалов, а также в удовлетворении запросов строительной практики по приемке материалов вообще» .