бетона примерно в 3 раза ниже модуля упругости чугуна, то увеличение сечений в том же отношении доводит жесткость железобетонных конструкций при растяжении-сжатии до жесткости чугунных конструкгщй.

В практике расчета на жесткость железобетонных конструкций, работающих на растяжение-сжатие, пользуются величиной приведенного сечения

пр

где Fg и Fa - площади, занимаемые в расчетном сечении соответственно бетоном и арматурой; и Еа - модули упругости соответственно етона и материала арматуры.

Принимая модуль упругости бетона iJg = 3 Ю МПа и стальной арматуры Е = 21-10 МПа, получаем Fnp я; Fg + 7f а, или упрощенно.

где Fee, - суммарная площадь сечения, работающего на растяжение-сжатие.

Аналогично при расчете железобетонных деталей, работающих на изгиб, пользуются приведенным моментом сопротивления Wnp= Wg + lW, где Wg и Wa-моменты сопротивления сечений, занимаемых соответственно бетоном и арматурой, относительно нейтральной оси сечения.

Упрощенно

M„p=We,

•(-i5r)

где We, - момент инерции всего сечения детали.

По массе железобетонные конструкции уступают чугунным. Объемная масса железобетона колеблется в пределах 3 - 4 кг/дм в зависимости от массы арматуры. При увеличении сечений пусть только в 3 раза по сравнению с чугунными конструкциями (плотность чугуна 7,2 кг/дм) масса железобетонных кон-(3--4)3.

струкций получается в

-= 1,3 -=-1,7 раза

больше массы равнопрочных чугунных конструкций.

Главный вьшгрыш от применения железобетонных конструкций обусловлен уменьшением металлоемкости (в среднем в 3-4 раза). Технологический процесс упрощается (отпадают операции изготовления моделей, формовки и термообработки отливок). При правильном ведении процессов заливки и твердения брак по литью практически исключается.

Однако изготовление машиностроительных железобетонных конструкций трудоемко (сборка форм, особенно металлических, установка и выверка базовых металлических деталей, установка и натяжение арматуры). Недостатком является также длительность технологического цикла и необходимость выдерживать отливки в течение 15 - 20 суток при

контролируемой температуре и влажности. Этот недостаток устраняют температурно-влажностной обработкой, после которой прочность бетона за 6 - 8 ч достигает 70% расчетной.

Применение железобетона оправдано в производстве уникальных крупногабаритных машин и агрегатой. Отливка базовых деталей таких машин из чугуна очень затруднительна. В некоторых случаях при отсутствии достаточно мощного литейного оборудования применение железобетонных конструкций представляет единственный практически возможный выход из положения. В общем машиностроении бетон может найти применение для заливки пустотелых конструкций (коробчатых и трубчатых деталей, фундаментных плит, колонн, кронштейнов и др.), как средство увеличения прочности и жесткости.

Железобетонные машиностроительные конструкции. Эти конструкции представляют собой армированные каркасом отливки с заформо-ванными в них стальными или чугунными деталями (направляющие, втулки, вкладыши, базовые плиты, кронштейны), необходимыми по функциональному назначению изделия.

Применяют два основных способа формования отпивок.

По первому способу детали заливают в деревянные опалубки, удаляемые после затвердевания; по второму способу - в сварные тонколистовые оболочки толгциной 1,5 - 2 мм, закрепленные внутренними поперечными и продольными связями (постоянные металлические опалубки). Во избежание выпучивания под гидростатическим действием жидкого бетона оболочки при заливке закрепляют снаружи разборными деревянными конструкциями. Под литники и выпоры в оболочках предусматривают отверстия, которые после затвердевания отливки заваривают.

Второй способ является более совершенным. Металлическая облицовка изолирует бетон от воздействия внешней среды, смазочных масел и смазочно-охлаждающих жидкостей и предохраняет его от случайных повреждений, выкрашивания и скалывания. Однако этот способ значительно дороже и более трудоемкий, чем первый.

Важное значение для прочности отливки имеет равномерность и плотность заполнения формы. Обязательно вибрирование формы в процессе заливки при частоте 17 - 50 Гц продолжительностью не менее 5-10 мин.

При заливке в деревянные опалубки и открытые металлические формы влажность воздуха в цехе поддерживают в пределах 80 - 90%. Открытые участки во избежание высыхания увлажняют. После распалубки (обычно че-

рез 10-12 суток) отливку обкладывают влажными опилками. При заливке в закрытые металлические оболочки требования менее строгие, так как в данном случае влага содержится в достаточном количестве внутри формы. Плотность отливки проверяют с по-могцью рентгеновских и ультразвуковых дефектоскопов. После выдержки отливки в течение 15 - 20 суток металлические базовые поверхности подвергают механической обработке. При пропаривании отливку можно обрабатывать через 1 - 2 суток.

Правила конструирования. При конструировании железобетонных отливок необходимо соблюдать следующие правила;

всемерно упрощать форму отливок, особенно при заливке в металлические оболочки, выполняя элементы отливки в виде простейших геометрических тел (цилиндров, конусов, призм);

толщину стенок делать не менее 30-40 мм;

обеспечивать плавные переходы от сечения к сечению и избегать труднозаполняемых полостей и карманов, в которых образуются раковины и поры; для правильного заполнения таких полостей предусматривать дополнительные литники и выпоры;

при сложной конфигурации отливок применять песчаный бетон тонкого помола с поверхностно-активными добавками;

силовую металлическую арматуру располагать по направлению растягивающих сил; на участках, подвергающихся изгибу, сосредоточивать арматуру в области действия максимальных напряжений растяжения.

Крупногабаритные детали сложной конфигурации расчленяют на отдельные элементы, которые соединяют болтами, сваркой, а также с помощью коллоидного цементного клея (высокодисперсная смесь цемента и песка тонкого помола).

Конструкция в целом должна обладать жесткостью, достаточной не только для нормальной работы в стационарных условиях, но и для транспортировки и установки на месте. В конструкции большой протяженности обязательно включение мощных продольных усиливающих элементов из крупнопрофильного сортового проката.

Металлические базовые детали, заливаемые в бетон, следует по возможности разгружать от действия напряжений. Не рекомендуется их использовать в качестве элементов жесткости. Жесткость должна быть обеспечена внутренней арматурой и целесообразной формой сечений. Прочность сцепления металлических оболочек с бетоном увеличивают путем приварки проволочных или пластинчатых анкеров к вну-трецней поверхности облицовочных листов.

УДЕЛЬНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЧНОСТИ

Выгодность материалов по массе можно оценить с помощью удельных показателей, характерных для каждого типа нагружения.

Растяжение-сжатие. Масса деталей, испыты-ваюгцих растяжение или сжатие, при прочих равных условиях (одинаковая длина деталей; одинаковая нагрузка)

те = const Fy, (39)

где F - площадь сечения детали; у - плотность материала.

Площадь сечения обратно пропорциональна действующему напряжению:

const

Для равнопрочных деталей запас прочности

и =-= const.

откуда

hF =

const

(40)

П Ов

Подставляя это выражение в формулу (39), получаем m = у/с. Фактор о/у, называемый удельной прочностью, характеризует выгодность по массе материала при растяжении-сжатии.

Современная практика конструирования отходит от оценки прочности по разрушающему напряжению (Tg, так как задолго до разрушения деталь выходит из строя в результате значительных пластических деформаций.

Оказался некорректным и другой расчетный критерий - предел упругости (напряжение, при котором не возникают остаточные деформации не более заданного наперед значения и деталь после снятия нагрузки практически принимает первоначальную форму). Точные испытания показывают, что остаточные деформации, хотя и очень незначительные, появляются на первьи же стадиях нагружения. По мере увеличения точности испытаний измеренные пределы упругости непрерывно уменьшаются, стремясь к нулю. Кроме того, предел упругости зависит от условий испытания, в частности, от продолжительности вьщержки под нагрузкой, резко снижаясь с ее увеличением. При длительной выдержке остаточные деформации обнаруживаются при самых малых напряжениях.

Следовательно, закон Гука только приблизительно описывает поведение металла под нагрузкой и то лишь при статическом и кратковременном нагружении. Тем не менее им продолжают пользоваться в качестве привычной, удобной и для практических целей достаточно точной аппроксимации.

В этих обстоятельствах наиболее разумным представляется избрать критерием статической прочности напряжение, при котором возникают остаточные деформации достаточно малые, чтобы не нарушать

Рис. 90. К оп-реде.1ению разрывной длины

работоспособность детали в средних условиях применения, и достаточно большие, чтобы допускать уверенный их замер при испытаниях рядовой точности. В качестве такого показателя чаше всего применяют условный предел текучести О0.2, представ1яюший собой напряжение, вызывающее в испытуемом образце при разовом и кратковременном нагружении остаточную деформацию 0,2%. Если необходима повышенная точность, то применяют показатели О0.02 и ао.002 (предел текучести при остаточных деформациях соответственно 0,02 и 0,002 %).

Предел текучести не пропорционален а,. Величины Оо.г для различных материалов составляют (0,5-0,95) Oj. Поэтому правильнее характеризовать удельную прочность не фактором о,/у, а фактором Oo.i/y (удельный npedei текучести).

Факторы удельной прочности поддаются наглядной интерпретации. Представим себе свободно висящий брус произвольного, но постоянного сечения, заделанный одним концом (рис. 90) и нагруженный только собственной массой. Опасным является сечение а - а, в котором действует полная сила тяжести (вес)

G = FLyg, (41)

где F - площадь сечения; L- длина бруса; у - плотность материала, бруса; д - ускорение силы тяжести.

Напряжение растяжения в этом сечении а = G/F или с учетом формулы (41)

cy = Lyg. (42)

Напряжение достигает предела прочности на разрыв (а = Од) при определенной длине Lp бруса (разрывной длине), равной по формуле (42),

Эта величина совпадает с удельной прочностью материала. Если принять в Н/м, д в м/с, а у вкг/м, то длина Lp выражается в метрах. Аналогично выражается и 1, которая представляет собой длину свободно подвешенного бруса, при которой напряжения в опасном сечении достигают предела текучести.

Перемещение свободного конца бруса (полная вытяжка)

Так как G = FLyg, L = -, то при = и а = Оо.2 У9

/т =

2Еуд-

(44)

где ао,2 - в Па, а у - в кг/м.

Величина характеризует податливость и сопротивляемость материала ударным нагрузкам

Изгиб и кручение. Для случая изгиба и кручения критерием рациональности по массе материала является отношение о/у, где о - разрушающее напряжение для данного вида нагрузки (Ов для изгиба и Хв для кручения).

Ввиду того что оценка выгодности по массе является приближенной, обычно для сравнения всех видов нагружения пользуются наиболее простыми по структуре факторами, соответ-ствуюгцими случаю растяжения-сжатия.

Ударные нагрузки. Способность сопротивляться действию ударной нагрузки характеризуется работой и упругой деформации. При растяжении бруса постоянного сечения F и длиной L

~ 2EF ~ 2Е

Величина U при напряжении о, равном пределу упругости Ор, характеризует способность поглощать энергию удара в пределах деформаций

V = . IE

Разделив эту величину на G = FLyg, получаем удельный показатель

G IFyg

Этот фактор, называемый удельной динамической прочностью, характеризует выгодность по массе материала в условиях ударных нагрузок.

Для ориентировочного сравнения предел упругости можно заменить пределом текучести Оц 2- Тогда

(45)

"0.2

2Еуд-

Это выражение совпадает с выражением (44) полной вытяжки свободно подвешенного бруса длиной Lj, при которой напряжения в опасном сечении достигают предела текучести.

Сравнительная оценка по массе конструкционных материалов. В табл. 17 приведены значения у, и, 00,2, Е основных конструкционных материалов и удельные характеристики, подсчитанные по верхним значениям

и 00,2-

На рис. 91,0 дана обобщенная диаграмма Ов/у и 00,2/7 в функции Ов (черные точки - максимальные значения ojy, светлые - оод/у)-Для сравнения даны значения cjy для сверхпрочной композиции [12] из графитных усов в алюминиевой матрице с о = 5000 МПа (вдоль волокон), 7 = 3,6-10 кг/м и Lp = 190 км (выходит за пределы диаграммы).