Wybrane cechy mechaniczne materiałów budowlanych

1. Oznaczenie wytrzymałości na ściskanie.


Wytrzymałość na ściskanie określa się stosunkiem siły ściskającej, (powodującej zniszczenie materiału) do pierwotnego pola przekroju poprzecznego próbki, na którą ta siła działa.
Wytrzymałość na ściskanie oblicza się za wzoru.



Rc = , [ MPa, ],



gdzie: Pc – siła zgniatająca próbkę [ N, kG],
F – powierzchnia próbki [cm2 , m2].

P




Przykłady:

Cegła:





F = 12,8 x 11,9 [cm2] Rc = = 3,62
Pc= 552 [kN]


Rc = 3,62 x 10 = 36,2 MPa
10 MPa = 1 kN/cm2





W badanej próbce zaobserwowano wytrzymałość równą 36,2 MPa co oznacza, że przy użytej sile ściskającej na daną powierzchnię zmienił się stan fizyczny próbki (przypominający wyglądem nierówny trapez). Badaną próbkę cegły można zaliczyć do jednej z pięciu klas, a mianowicie do klasy 35.
Beton:





F = 15 x 15 [cm2]
Pc = 348 [kN]



Rc = = 1,55 x 10 = 15,5 MPa



Wytrzymałość badanej próbki betonu wyniosła 15,5 MPa, przy czym zaobserwowano sypiące się kruszywa z bocznych ścian próbki betonu.


Piaskowiec:

a) żółty



F = 5 x 5 [cm2]
Pc = 80 [kN]


Rc = = 3,20 x 10 = 32 MPa



b) czerwony





F = 5 x 5 [cm2]
Pc = 210 [kN]


Rc = = 8,40 x 10 = 84 MPa



Na podstawie przeprowadzonego badania na próbce piaskowca można wywnioskować, iż czerwony piaskowiec jest mocniejszym materiałem niż żółty piaskowiec, gdyż odkształcenia materiału badanego pojawiły się przy zwiększonej sile ściskającej, niż jak to było w przypadku żółtego piaskowca. Tak więc wytrzymałość piaskowca czerwonego jest wyższa, bo wynosi 84 MPa a wytrzymałość piaskowca żółtego wynosi tylko 32 MPa.


Drewno:





F = 2 x 2 [cm2]
Pc = 17,4 [kN]


Rc = = 4,35 x 10 = 43,5 MPa


W ściskanej próbce drewna wzdłuż włókien, ze względu na własną właściwość „elastyczności” nie zaobserwowano ubytków materiału, zaś cała próbka zmieniła tylko kształt przypominający w przybliżeniu „romb”. Zaszło tutaj zjawisko zwane azytropowością.

Wniosek końcowy:

Ściskanie jest możliwe tylko dla materiałów wykazujących swoją kruchość np. cegła, beton, ponieważ dla takich materiałów próba badania wytrzymałości na ściskanie kończy się pojawieniem pęknięć lub odkształceń.


2. Oznaczenie wytrzymałości na rozciąganie.

Wytrzymałość na rozciąganie określa się stosunkiem siły rozciągającej, (rozrywającej próbkę) do pierwotnego pola przekroju poprzecznego próbki według wzoru:



Rr = , [ MPa, ]


gdzie: Pr – siła rozrywająca próbkę [N, kG]
F – powierzchnia próbki [cm2]







Przykład:

Stal – próbka.





F = Πr2
Ø= 20 [mm] 20 [mm] / 10 = 2 [cm]
Pc= 120 [kN]


Π = 3,1415926535897932384626433832795

F = 3,1415926535897932384626433832795 x 1[cm]2
F = 3,1415926535897932384626433832795 [cm2]


Rr =




Rr = 38,197186342054880584532103209403 x 10

Rr ≈ 381,2 MPa


Badana próbka stali przy sile rozciągającej przy pomocy gwintów (po obu stronach pręta stalowego) 120 [kN] pękła na dwie części, co wykazało, że wytrzymałość tej stali wynosi do 381,2 MPa.


Ważne:

Wytrzymałość na rozciąganie jest to największe naprężenie, jakie wytrzymuje próbka badanego materiału podczas rozciągania.


3. Oznaczenie wytrzymałości na zginanie.


Wytrzymałość na zginanie określa się stosunkiem momentu zginającego (niszczącego próbkę) do wskaźnika wytrzymałości przekroju ze wzoru:

M
Rg = , [MPa, ]
W



gdzie: M – moment zginający próbkę materiału [Nm, kGcm]
W – współczynnik wytrzymałości przekroju [cm3].




Przykład:

Drewno.

P
2[cm]
2[cm]





P = 1,72 [kN]
l = 24 [cm]
b = 2 [cm]
h = 2 [cm]
Pl
M = , [kGcm]
4
gdzie: P – siła niszcząca próbkę materiału [N, kN]
l – rozpiętość belki między podporami [m, cm]


M = 1,72 x 24 [kN] [cm] / 4 = 10,32 [kGcm]


bh2
W = , [cm3]
6

gdzie: b – szerokość belki [cm]
h – wysokość belki [cm]
2 x 22 [cm3]
W = = 1,33 [cm3]


10,32 [kGcm] [hG]
Rg = = 7,76 x 10 = 77,6 MPa
[cm2]


P P
Z badania wynika, że drewno jest wysoce wytrzymałe na zginanie. Materiał nie łamie się, lecz pod wpływem działającej siły wygina się. Drewno nadaje się, zatem do różnorodnych konstrukcji budowlanych. Godne uwagi jest fakt rozpiętości belki pomiędzy podporami; im więcej podpór tym wytrzymałość drewna będzie większa w konstrukcji.


4. Oznaczenie twardości.


Twardość jest to odporność materiału na odkształcenia wywołane działaniem skupionego nacisku na jego powierzchnię (np. przy wciskaniu innego materiału o większej twardości).

Badanie twardości odbywa się różnorodnymi metodami w zależności od badanego materiału.
W pracowni wybrano za próbkę kostkę drewna, więc posłużono się metodą Janki, która polega na wciskaniu w drewno kulki stalowej o przekroju średnicowym równym 1 cm2. Wielkość siły przy ustalonym zagłębieniu kulki, równym jej promieniowi, jest miarą twardości. Największą twardość drewno wykazuje przy kierunku działania siły wzdłuż włókien
Badania dokonuje się na próbkach o wymiarach 50x50x50 [mm]. Przy badaniu wciskamy stalową kulkę w odległości min 15 mm od brzegu aby uniknąć ścięcia drewna co zafałszuje wynik. Rozstaw między otworami pozostałymi po wciskaniu wynosi ok. 200 mm



(kostka drewna)
a b





- rozstaw miejsc badanych 1,5 [cm] od krawędzi
- użyte siły P1 = 3,35 [kN] , P2 = 3,30 [kN] (wzdłuż włókien)
- użyte siły P1 = 1,45 [kN] , P2 = 1,30 [kN] (w poprzek)


a) w przypadku użycia obu sił wciskających stalową kulkę w badaną próbkę zaobserwowano pojawienie się małych otworów będącymi śladami stalowej kulki. Przy sile P1 ślad pozostał minimalnie głębszy od śladu po sile P2.
b) w przypadku użycia obu sił wciskających stalową kulkę w badaną próbkę zaobserwowano pojawienie się śladów wgnieceń kulki stalowej. Przy sile P1 wgniecenie było minimalnie większe od P2. Powstałe otwory nie miały krawędzi równomiernych jak to było w przypadku „a”, były wręcz „poszarpane”.



5. Oznaczenie odporności na ścieralność.

Ścieralność jest to odporność na ścieranie, określana zmniejszeniem masy, objętości, wysokości lub grubości pod wpływem czynników ścierających.
Miarą ścieralności jest ubytek wysokości badanej próbki lub masy w wyniku ścierania na specjalnych aparatach (tarcza Boehmego dla kamieni i betonów, aparat Ralpha dla drewna).

Badaniu temu poddaje się materiały, które w warunkach eksploatacji w konstrukcjach budowlanych podlegają ścieraniu. Obejmuje ono materiały na podłogi, stopnie schodowe, nawierzchnie drogowe i lotniskowe, okładziny zbiorników na materiały sypkie.


6. Oznaczenie odporności na uderzenia (-udarność).


Udarność jest to odporność na nagłe działanie sił dynamicznych. Miarą udarności jest praca potrzebna do rozbicia lub przełamania badanych próbek. .

Do badania stosuje się próbkę w postaci pręta o przekroju kwadratowym. Na jednym z jej boków nacięty jest karb ułatwiający pęknięcie próbki podczas badania; wymiary próbki oraz wymiary karbu określa norma. Przyrząd do określania udarności nazywa się młotem udarnościowym. Najczęściej stosuje się młot typu Charpy:

















Młot udarnościowy Charpy`ego
1- próbka, 2 – wahadło, 3 – podziałka, 4- wskaźnik


W celu przeprowadzenia pomiaru umieszcza się próbkę na podporach, a wahadło podnosi na wysokość H. Opuszczone z tej wysokości uderza ono w próbkę, a po jej zniszczeniu unosi się jeszcze na wysokość h. Jeżeli ciężar wahadła wynosi G N, to w położeniu górnym energia potencjalna młota wynosi
E1 = G-H
Po złamaniu próbki wahadło miało jeszcze energię, dzięki której mogło się wznieść na wysokość h. Energia ta wynosi
E2 = G•h
Energia zużyta na zniszczenie próbki wynosi

E = E1— E2 = G • {H—h) J
Jeżeli przekrój próbki wynosi So cm2, to udarność K obliczamy wg wzoru

K = Wu/ S0 J/cm3
gdzie:
Wu — wartość pracy odpowiadającej\' energii zużytej na złamanie próbki w J,
So — powierzchnia przekroju poprzecznego próbki w miejscu karbu mierzona przed próbą w cm2.




Bibliografia:

1. praca zbiorowa pod kierunkiem prof. dr. hab. inż. Bogusława Stefańczyka: Budownictwo ogólne. Tom 1. ARKADY 2005