КОНСТРУКЦИИ (Металл)

Предельные состояния и основы расчета. Классификация нагрузок и сочетания нагрузок.

На какие две группы подразделяются предельные состояния?

Существуют две группы предельных состояний: первая - по несущей способности и общей устойчивости и вторая - по деформациям. При расчетах по первой группе ограничиваются величины усилий, при расчетах по второй группе основным ограничением служат предельные деформации. Основной целью расчета по предельным состояниям является ограничение усилий (по первому предельному состоянию) или деформаций (по второму предельному состоянию).

Цель расчёта по предельным состояниям первой группы заключается в том, чтобы предотвратить наступление любого из предельных состояний первой группы ( общая потеря устойчивости формы, потеря устойчивости положения, хрупкое, вязкое или иного характера разрушение, разрушение под совместным воздействием силовых факторов и неблагоприятных влияний внешней среды), т.е. обеспечить несущую способность как отдельной конструкции, так и всего здания в целом.

Несущая способность конструкции считается обеспеченной, если удовлетворяется неравенство типа

N ≤ Ф,

где  N – расчётные, т.е. наибольшие возможные усилия, могущие возникнуть в сечении элемента ( для сжатых и растянутых элементов – это продольная сила, для изгибаемых – изгибающий момент)

Ф – наименьшая возможная несущая способность сечения элемента, подвергающегося сжатию, растяжению или изгибу. Она зависит от прочностных свойств материала конструкции, геометрии (формы и размеров) сечения , т.е.

Ф = [ R;А ],

где R – расчётное сопротивление материала

А – геометрический фактор ( площадь поперечного сечения – при растяжении и сжатии, момент сопротивления – при изгибе.

Цель расчёта по предельным состояниям второй группы – не допустить ни одного из предельных состояний второй группы (прогибы, осадки, углы поворота, колебания и трещины), т.е. обеспечить нормальную эксплуатацию строительных конструкций или здания в целом.

Считается, что предельные состояния второй группы не наступят, если будет удовлетворено условие

f ≤ fₑ,

где f (в общем случае) – это определённая из расчёта деформация конструкции.

Для изгибаемых элементов это прогиб конструкции, для стержневых систем – укорочение или удлинение стержней, для оснований – величина осадки.

fₑ - предельная деформация конструкции, которая определяется СНиП

Виды сварных соединений. Работа и расчет сварных соединений.

Расчет стыковых швов. (Металл)

Сварным соединением называется неразъемное соединение нескольких деталей, полученное сваркой. В зависимости от взаимного расположения свариваемых элементов в пространстве различают следующие основные виды сварных соединений: стыковые, угловые, тавровые, нахлесточные и торцовые (рис. 8).

П ри газовой сварке основное применение нашли стыковые соединения (рис. 8, а). В стыковом соедннении составляющие его элементы расположены в одной плоскости или на одной поверхности.

Металл толщиной до 2 мм соединяют встык без разделки кромок и без зазора или с отбортовкой кромок без применения присадочного материала. При толщине металла от 2 до 5 мм стыковые соединения выполняют без разделки кромок с зазором между свариваемыми кромками, больше 5 мм — с разделкой кромок. При толщине металла от 5 до 15 мм применяют V-образную разделку кромок, свыше 15 мм — Х-образную разделку кромок. Нахлесточным называется такое сварное соединение (рис. 8,6), в котором свариваемые элементы расположены параллельно и частично перекрывают друг друга. При газовой сварке металла толщиной свыше 3 мм нахлесточное соединение применять нежелательно, так как в результате больших собственных напряжений возникают значительные деформации, которые при жестком закреплении свариваемых деталей могут привести к образованию трещин.

Тавровые соединения (рис. 8, в) применяют при сварке деталей толщиной до 3 мм. Тавровым называется сварное соединение, в котором торец одной детали соединяется с боковой поверхностью другой. Тавровое соединение используют при приварке ребер жесткости, косынок, трубопроводных муфт и др.

Угловым называется соединение (рис. 8, г), в котором свариваемые детали расположены под прямым углом и соединяются по кромкам. Большое распространение при газовой сварке металла малой толщины получили торцовые соединения (рис. 8, д), в которых соединяемые детали соприкасаются своими боковыми поверхностями и свариваются по смежным торцам.

Для обеспечения полного провара по всей толщине свариваемого металла и получения прочного сварного соединения необходимо правильно подготавливать свариваемые кромки. Общий угол разделки свариваемых кромок составляет 70—90°. При малых толщинах свариваемого металла сварные соединения свариваются без скоса кромок. При толщине металла свыше 5 мм делается разделка кромок. Перед сваркой свариваемые кромки, а также прилегающие к шву участки основного металла, тщательно очищают пламенем газовой горелки от масла, ржавчины, окалины, влаги и других загрязнений.

Продолжение далее…

Расчет сварного шва работающего на действии центрально приложенной силы N:

σ_ш = N/t*l_ш≤ R^св * γ

Где

N – расчетное усилие

t – рабочая толщина шва

l_ш – расчетная длинна шва, равна его полной длине при условии если начало и конец шва выведены за пределы стыка.

l_ш =l-2t – фактическая длинна шва.

γ – коэффициент условий работы элемента.

R^св – расчетное сопротивление сварного шва на сжатие или растяжение.

t – равно 0.7*t при условии, что в стыковом соединении не обеспечивается полный провар по толщине сварных элементов при помощи подварки корня шва.

R^св = 0.85*R – если сварной шов работает на растяжение и не был проверен физическими методами контроля.

Расчет сварного шва работающего на изгиб

σ_ш = M/ W_ш≤ R^св * γ

W_ш – момент сопротивления шва.

W_ш = t* l_ш² / 6

Проверка сварного шва работающего на растяжение сжатие и срез

√(σ²_шτ+ σ²_шy - σ_шx* σ_шy + 3*τ²_шху) ≤1.1* R^св * γ

σ_шτ σ_шy – нормальные напряжения по перпендикулярным направлениям

τ_шху – напряжение в сварном шве, от среза.

Расчет косого сварного шва.

Н аклон реза в косых швах принимают tg α = 2:1

Косые швы делают для увеличения длинны сварного шва, они равнопрочные основному металлу уже по умолчанию по этой причине проверку такого соединения не делают.

Но бывают исключения, например вибрационная нагрузка

Усилие раскладывают перпендикулярно шву и вдоль шва потом находят напряжение.

Перпендикулярно шву

σ_ш = (N*sin α)/ (t* l_ш)

вдоль шва

τ_ш = (N*cos α)/ (t* l_ш)

l_ш – длинна косого шва.

l_ш = (b /sin α)-2*t

а – прямой сварной шов работающий на растяжение

б – косой сварной шов работающий на растяжение

в – прямой сварной шов работающий на изгиб

 

Подбор сечений и расчет прокатных балок.

Компоновка и подбор сечений составных балок. (Металл)

Расчет на прочность прокатных балок, изгибаемых в одной из главных плоскостей, производится по изгибающему моменту по формуле:

                                        (7.5)

Поэтому требуемый момент сопротивления балки "нетто" можно определить по формуле:

                                        (7.6)

Выбрав тип профиля балки по требуемому моменту сопротивления, по сортаменту подбирают ближайший больший номер балки. Для разрезных балок сплошного сечения из стали с пределом текучести до 580 МПа, находящихся под воздействием статической нагрузки, обеспеченных от потери общей устойчивости и ограниченной величине касательных напряжений в одном сечении с наиболее неблагоприятным сочетанием М и Q, следует использовать упругопластическую работу материала и проверять их прочность по формулам:

- при изгибе в одной из главных плоскостей:

                                (7.6)

- при изгибе в двух главных плоскостях

                (7.7)

Балки составного сечения применяют в случаях, когда прокатные балки не удовлетворяют условиям прочности, жесткости, общей устойчивости, т. е. при больших пролетах и больших изгибающих моментах, а также если они экономичнее. Основные типы сечений составных балок показаны на рис. 4, в, г.

Рис. 5. Сечения балок

а - прокатные, б - прессованные, в - сварные, г - клепаные и болтовые

 

Составные балки применяют, как правило, сварными. Сварные балки экономичнее клепаных. Их сечение обычно состоит из трех листов: вертикального - стенки и двух горизонтальных - полок, которые сваривают на заводе автоматической сваркой. Для балок под тяжелую подвижную нагрузку (большие подкрановые балки) иногда применяют клепаные балки, состоящие из вертикальной стенки, поясных уголков и одного - трех горизонтальных листов. Клепаные балки тяжелее сварных и более трудоемки в изготовлении, но их применение оправдывают благоприятная работа под большими динамическими и вибрационными нагрузками, а также относительная легкость образования мощных поясов.

Для экономии материала в составных балках изменяют сечения по длине в соответствии с эпюрой изгибающих моментов. Упругопластическая работа материала в таких балках допускается с теми же ограничениями, что и для прокатных балок. Начинать компоновку сечения надо с определения высоты балки, от которой зависят все остальные параметры балок.