Mekanisk belastning av konstruksjonsmaterialer Typer av brudd. av Førstelektor Roar Andreassen Høgskolen i Narvik

Transkript

1 Mekanisk belastning av konstruksjonsmaterialer Typer av brudd av Førstelektor Roar Andreassen Høgskolen i Narvik 1

2 KONSTRUKSJONSMATERIALENE Metaller Er oftest duktile = kan endre form uten å briste, dvs. de kan flyte. Ved herding (kaldsmiing, div. varmebehandlinger mm) økes flytegrensen, duktiliteten går ned, metallet kan bli sprøtt Keramer og glasser Kan ikke formes, er sprø. En del er veldig harde (slitesterke) Polymermaterialer (plast og gummi) Svært formbare. Tåler mindre last enn gode metaller, mye mykere enn harde keramer Kompositter Eks. glassfiberarmert plast, stålarmert betong Forbedrer egenskapene i forhold til komponentene som inngår 2

3 Metaller Herdet stål Ved herding: E-modulen er den samme Flytegrensen er økt Evnen til å absorbere arbeid ved plastisk deformasjon er minsket Konstruksjonsstål F Arbeid, W W W F s dw F ds Arealet Forskyvning, vei l 0 F ds 3

4 Glasser og keramer er sprø dvs. tåler ikke strekkrefter, heller ikke bøying strekk Sprø materialer tåler mye høyere trykk enn strekk, typisk 15 ganger mer for mange keramer 4

5 Duktilitet 5

6 Sprøtt vs. duktilt material Bruddanvisning meget høye lokale spenninger strekk Bruddanvisningen mister sin skarphet pga. flyt. Langt lavere lokale spenninger 6

7 Brudd i sprøtt material Bøyeprøving av glasstav Alle materialer har defekter I sprø materialer er det den største defekten som utløser brudd Defekter forekommer tilfeldig fordelt i materialet. Jo grovere komponent jo større er det sannsynlig at den maksimale defekten vil være. Altså: En tynn komponent (eks. en glassfiber) tåler mye større strekkspenning enn en grov komponent (eks. en glasstav) Sprø materialer tåler mye høyere trykk enn strekk, typisk 15 ganger mer. F L d Sprøtt brudd, plutselig, uten varsel, ingen flyt 7

8 Brudd i sprøtt material F d Defekter er bruddutløsende Defektene er tilfeldig fordelt, både mht. antall og størrelse Sprø materialer får stor spredning i fasthet L Bøyeprøving av glasstav Eksempel, simulering av prøvinger: Maksimal bruddlast (sterkeste stav): Minimal bruddlast (svakeste stav): Gjennomsnittsverdi ( Bruddmodul ): Den nest-sterkeste i serien: Den femte (5.) sterkeste: 1283 N 22 N 51 N 1060 N 450 N 8

9 Brudd i sprøtt material Oct. 1, 2006 Undersøkelsen er ikke helt ferdig. Sannsynligvis utilstrekkelig overlapp i armering. Sprekker i betongen (mot armering) har utviklet seg til de ble bruddutløsende 9

10 Polymermaterialer plast og elastomerer Lange molekylkjeder ( atomer i rekke) De fleste (plast og gummi) har karbon-kjede som ryggrad : ----C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C----- To hovedtyper plast: Termoplast kan smelte (PE, PA, PET ) Herdeplast kan ikke smelte (epoxy, polyester ) H H - C - C - H H n n 10

11 Elastisk bøyning Plast i forhold til andre materialer F Material Nedbøyning [mm] Vekt [g] Stål 0,8 35 d y di Aluminium 2,4 12 L Glassfiber armert Epoxy 2,8 9 Karbonfiber armert epoxy 0,55 7 F = 50 N d y = 10 mm d i = 9 mm L = 30 cm Duretan (polyamid) 1 time, 23C Duretan (polyamid) 100 timer, 23C Duretan (polyamid) 1 time, 40C 56 5 Ca Plaster har ikke noen bestemt E-modul, og heller ikke noen absolutt bruddfasthet Belastningstida har betydelig innvirkning. 11

12 Plastmaterialers egenskaper Bayer Duretan A30, en polyamid (PA66-type, termoplast) Ved beregninger: Hvor stor last? Hvor langvarig last? Ved hvilken temperatur? Tørt / fuktig miljø? Plastmaterialer siger 12

13 Oppsummering Metaller er duktile, de kan flyte og tåler å ha defekter. De kan herdes, men da må man huske at de mister duktilitet. Plaster er lette og holdbare i mange miljøer. Men de siger, de må dimensjoneres i forhold til lastens varighet og temperaturen Glasser og keramer er sprø og tåler lite strekkspenninger. Jo grovere komponenter, jo lavere spenning tåler de å bli belastet med Kompositter kombinerer de beste egenskapene fra komponentene som inngår. Men egenskapene er oftest bestemt av belastningenes retning. 13

14 Andre bruddårsaker Utmatting Eks.: Roterende aksel Spenningsvekslinger Strekk-trykk-strekk-trykk- RA 2006 RA

15 Andre bruddårsaker Konstruksjonsstål i kulde Duktil brudd romtemperatur RA 2006 RA 2006 Sprøtt brudd, kulde 15

16 Andre bruddårsaker Konstruksjonsstål i sterk varme Brannbeskyttelse Flytegrensen for metaller faller dramatisk ved temperatur over 400 C 16