Struktura wewnętrzna
Struktura wewnętrzna ma duże znaczenie dla oceny przydatności materiału. Od niej zależy wytrzymałość materiału, odkształcalność, izolacyjność termiczna. Jedną z podstawowych informacji o materiale jest gęstość, określana jako stosunek masy [kg] i objętości [m3]. Niezależnie od właściwości fizyczno-chemicznych szkieletu materiału, w przypadku materiałów budowlanych duże znaczenie ma obecność i właściwości porów powietrznych zawartych w materiale. Pory wewnątrz materiału mogą być całkowicie suche, wypełnione wodą częściowo lub całkowicie. Ma to więc wpływ na rzeczywistą masę materiału przy różnych stopniach zawilgocenia i inne właściwości fizyczne (rysunek poniżej).
Opis materiału budowlanego, uwzględniający właściwości techniczne i jego stan wilgotnościowy, wymaga wprowadzenia trzech wielkości: gęstości, zarówno materiału suchego jak i materiału zawierającego wilgoć w porach, porowatości, pozwalającej na opis nie tylko ilości ale i struktury porów w materiale oraz wilgotności odnoszonej do masy lub objętości materiału tabela 2.2.1/2
Wilgotność materiałów już wbudowanych zależy każdorazowo od warunków panujących w otoczeniu, a także od zastosowanej technologii i czasu, jaki minął od ukończenia budowy. Dla celów projektowych można jednak przyjmować przeciętne, potwierdzone badaniami i obserwacjami na obiektach rzeczywistych, wartości wilgotności ustabilizowanej, jaką osiągają materiały w tzw. stanie powietrzno-suchym 2.2.1/3
Właściwości wytrzymałościowe
Do określania właściwości materiałów związanych z nośnością i użytkowaniem służą takie wielkości jak wytrzymałość i moduł sprężystości. Określa się je dla danego materiału na podstawie badań, w których próbka materiału jest poddawana obciążeniom aż do zniszczenia. Przebieg takiego badania przedstawiono skrótowo poniżej, przykładowy materiał jest w nim poddany ściskainiu/rozciąganiu
- sporządzenie próbki w kształcie pręta: długość l [mm]; przekrój A [mm2 ]
- umieszczenie próbki w maszynie zrywającej
- obciążenie od zera do zerwania pomiar siły zrywającej i odkształcenia: siła F[N]; wydłużenie l [mm]
- obliczenie naprężeń oraz względnego odkształcenia
naprężenia
wydłużenie/skrócenie względne
- przedstawienie zależności pomiędzy naprężeniem a wydłużeniem/skróceniem przedstawiono na poniższym wykresie
Przebieg krzywej na wykresie w początkowej fazie jest liniowy, jest to tzw. obszar prostej proporcjonalności naprężeń i odkształceń, dalej już zależność ma charakter krzywoliniowy
- wyznaczenie wytrzymałości i obliczenie modułu plastycznościwytrzymałość: f, MPaWytrzymałość materiału to największe możliwe naprężenia. Po osiągnięciu takiej wartości naprężeń dochodzi do zniszczenia materiału. Tak więc wytrzymałość odpowiada co do wartości naprężeniom niszczącym. Wartości liczbowe wytrzymałości różnych materiałów na rozciąganie i ściskanie f przedstawiono w tabeli 2.2.2/3.
moduł sprężystości Younga E [MPa]
Moduł sprężystości jest definiowany jako tangens kąta nachylenia wykresu naprężeń w funkcji odkształceń w obszarze zależności liniowej. Jego wartość liczbowa jest równa ilorazowi naprężeń i odpowiadającej im wartości odkształceń. Moduł sprężystości można interpretować jako opór przeciwko odkształceniom stawiany przez materiał obciążony siłą. Wartości liczbowe modułu sprężystości różnych materiałów przedstawiono w tabeli2.2.2/4.
Dzięki wprowadzeniu pojęcia modułu sprężystości można w bardzo prosty sposób zapisać, dla zakresu liniowego, zależności pomiędzy naprężeniem i odkształceniem, a mianowicie:
Odkształcenia
Zmiana wymiarów elementu budynku może być wywołana następującymi przyczynami:
- działaniem sił
- zmianami temperatur
- zmianami wilgotności
Konstrukcja budynku musi być tak zaprojektowana, aby w wyniku odkształceń poszczególnych elementów nie doszło do ich uszkodzenia, aby mogły one spełniać dalej swoją funkcja użytkową i aby nie doszło do uszkodzenia elementów sąsiadujących.
Jeśli poprzez zabiegi projektowe nie jest możliwe wyeliminowanie przyczyn odkształceń (np. poprzez izolowanie termiczne) to element konstrukcji albo musi mieć swobodę przemieszczania się, albo też konieczne jest przejęcie powstałych sił przez ustrój konstrukcyjny. Właściwości materiału, które mają wpływ na odkształcenia pochodzące od siły zewnętrznej, przedstawiono na przykładzie pręta o długości l i pola powierzchni przekroju A.
Odkształcenia sprężyste
Obciążenie użytkowe konstrukcji powoduje powstanie w jej elementach naprężeń i odkształceń. Dla zakresu liniowej zależności odkształceń i naprężeń można zapisać
to wzór na zmianę długości pręta w wyniku działania siły F można zapisać w następującej postaci: 
Odkształcenia termiczne
Wszystkie części budynku, a zwłaszcza te, które tworzą jego zewnętrzna powłokę, poddane są działaniu zmiennych temperatur otoczenia. Rozkład temperatury w przekroju elementu konstrukcyjnego nie jest równomierny. Decydujące znaczenie dla odkształceń termicznych ma wartość temperatury w środku przekroju.
Wartość odkształcenia pochodzącego od zmiany temperatury T można wyznaczyć na podstawie współczynnika rozszerzalności termicznej materiału
W tabeli 2.2.3/3 podano wartości współczynnika rozszerzalności termicznej dla niektórych materiałów budowlanych
Odkształcenia wilgotnościowe
Wahania wilgotności materiałów budowlanych mogą być np. związane z oddawaniem do otoczenia tzw. wilgoci technologicznej, czyli odsychaniem materiału po wbudowaniu, tynkowaniu itp. lub też wynikają one z wahań wilgotności powietrza w otoczeniu materiału. Powstające w wyniku tych wahań odkształcenia nazywane są pęcznieniem lub skurczem.
Wartości odkształceń można obliczyć na podstawie współczynnika skurczu/pęcznienia
W tabeli 2.2.3/4 podano wartości współczynnika skurczu/pęcznienia dla niektórych materiałów budowlanych.
Właściwości z zakresu fizyki budowli
Pojęcie przewodzenia ciepła materiału budowlanego jest niezbędna do opisania strat cieplnych przez przegrody budynku w wyniku przewodzenia ciepła.
Współczynnik przewodzenia ciepła:
Przewodzenie ciepła informuje o ilości ciepła, która jest przewodzona przez warstwę materiału o grubości 1 m i przekroju A = 1 m2w warunkach różnicy temperatur T = 1 K i w czasie t = 1 s
Wartość ciepła właściwego materiału budowlanego jest niezbędna do określenia niestacjonarnego przepływu ciepła przez przegrodę.
Ciepło właściwe:
Ciepło właściwe to ilość energii cieplnej potrzebnej do podgrzania masy 1 kg materiału o 1 K.
Współczynnik przepuszczania pary wodnej w materiale jest informacją pozwalającą na ocenę strumienia wilgoci jaki jest przenoszony przez przegrodę budowlaną.
Współczynnik przepuszczania pary wodnej:
Współczynnik ten odpowiada ilości wilgoci, w postaci pary wodnej, jaka dyfunduje przez warstwę materiału o grubości 1 m i przekroju A = 1 m2, przy różnicy ciśnień pary wodnej po obydwu stronach warstwy p=1 Pa i w czasie t=1 h.
Za pomocą współczynnika oporu dyfuzyjnego można wyrazic zdolność materiału do przepuszczania pary wodnej w porównaniu do przepuszczalności powietrza.
d0 współczynnik przepuszczania pary wodnej powietrza
µ współczynnikiem oporu dyfuzyjnego (liczba bezwymiarowa). Wielkość ta informuje ile razy opór dyfuzyjny materiału jest większy od oporu stawianego przez powietrze.
źródło:
1) www.instsani.pl