W „Strukturach: dlaczego rzeczy nie spadają” James Gordon mówi o drzewach poddawanych naprężeniu zewnętrznemu w napięciu, a wewnętrznemu w ściskaniu. Dlaczego sprawia, że drzewo jest silniejsze, gdy jest naprężone na powierzchni i ściska się w rdzeniu i jak mam odczytać wykres na pierwszym zdjęciu poniżej?
Również na trzecim zdjęciu jest mowa o wykonaniu odwrotnej czynności za pomocą betonowej belki. Jak wytworzyć napięcie za pomocą zbrojenia?
Odpowiedzi:
Wykresy są wykresami naprężenia w funkcji położenia. Naprężenie to siła na jednostkę powierzchni wywierana na materiał. Wartości dodatnie to napięcie, a ujemne to ściskanie.
Pierwszy wykres (skrajnie lewy) pokazuje normalne naprężenie w funkcji położenia, którego można by oczekiwać od zginania, gdyby nie było naprężenia wstępnego. Środkowy wykres pokazuje naprężenie wstępne na drzewie. Wykres po prawej stronie pokazuje superpozycję lub sumę naprężenia zginającego i naprężenia wstępnego.
W inżynierii mechanicznej wytrzymałość jest definiowana jako maksymalne naprężenie, które materiał może tolerować przed uszkodzeniem. Każdy materiał ma unikalne granice wytrzymałości, zwane ich ostateczną siłą . W niektórych materiałach jest tak samo pod względem rozciągania i ściskania, ale w innych wytrzymałości na rozciąganie i ściskanie są różne. Większość metali ma w przybliżeniu tę samą wytrzymałość na rozciąganie i ściskanie, ale materiały takie jak drewno i beton należą do tej drugiej kategorii, w której wytrzymałość na rozciąganie i ściskanie są znacznie różne.
W przedstawionym artykule stwierdzono, że ostateczna wytrzymałość drewna na rozciąganie jest większa niż jego ostateczna wytrzymałość na ściskanie. Gdyby drzewo nie było wstępnie sprężone, bok od wiatru zawsze zawodziłby pierwszy, ponieważ jak pokazano na pierwszym wykresie, maksymalne wytrzymałości na rozciąganie i ściskanie są takie same przy zginaniu bez naprężenia wstępnego. Dzięki naprężeniu wstępnemu rozciągającemu na zewnątrz drzewa, drzewo może zmniejszyć maksymalne naprężenie ściskające, a zatem wytrzymać silniejsze wiatry. Należy zauważyć, że w wyniku trzeciego prawa Newtona musi istnieć zarówno naprężenie rozciągające, jak i ściskające, aby zrównoważyć siły.
W betonie sytuacja jest inna, ponieważ beton ma zasadniczo zerową wytrzymałość na rozciąganie. Beton sprężony pozwala uniknąć awarii, ponieważ pręt zbrojeniowy ze stali znajduje się w stanie naprężenia rozciągającego, a beton w stanie naprężenia ściskającego. Można to osiągnąć albo przez rozciąganie zbrojenia podczas wylewania betonu, albo przez wylewanie betonu wokół pokrytych kabli, aby zapobiec przywieraniu betonu do kabla. W tym drugim przypadku kable są napinane w celu sprężenia betonu po stwardnieniu.