Міністерство освіти і науки України

Національний університет водного господарства та природокористування

Кафедра промислового, цивільного будівництва

та інженерних споруд

Конспект лекцій

з дисципліни „Металеві конструкції”

студента групи ПЦБ-5___

_______________________________________________

(прізвище, ініціали)

XIV.	Листові конструкції.
XV.	Великопролітні покриття.
XVI.	Стальні каркаси багатоповерхових будинків.
XVII.	Висотні споруди.
XVIII.	Легкі металеві конструкції.
XIX.	Реконструкція та підсилення металевих конструкцій.

Рівне – 2013р.

Конспект лекцій з дисципліни „Металеві конструкції” для студентів напряму підготовки 6.060101 „Промислове та цивільне будівництво” денної форми навчання. XIV. Листові конструкції. XV. Великопролітні покриття. XVI. Стальні каркаси багатоповерхових будинків. XVII. Висотні споруди. XVIII. Легкі металеві конструкції. XIX. Реконструкція та підсилення металевих конструкцій. /Налепа О.І. – Рівне: НУВГП, 2011. – 154 с./

Упорядник: Налепа О. І., к.т.н., доцент.

Відповідальний за випуск: Є.М.Бабич, д.т.н., професор, завідувач кафедри промислового, цивільного будівництва та інженерних споруд

 О.І.Налепа, 2011

 НУВГП, 2011

XIV. Листові конструкції

14.1. Основи листових конструкцій

14.1.1. Призначення, класифікація та особливості роботи

листових конструкцій

Листовими називаються конструкції, основними несучими елементами яких є плоскі або гнуті металеві листи типу пластин і оболонок.

Листові конструкції застосовуються для зберігання, перевантаження, транспортування, технологічної переробки рідин; газів і сипких матеріалів.

До листових конструкцій відносяться: 1) резервуари для зберігання води, нафтопродуктів та інших рідин; 2) газгольдери для зберігання та перерозподілу газів; 3) бункери і силоси для зберігання та перевантаження сипких матеріалів; 4) трубопроводи великих діаметрів (D ≥ 0,6 м) для транспортування рідин, газів і роздрібнених або зріджених твердих порід; 5) спеціальні конструкції металургійних, хімічних та інших галузей промисловості (кожухи доменних печей, повітронагрівачі, електрофільтри, димові та вентиляційні труби, градирні, захисні споруди–оболонки атомних електростанцій).

Умови експлуатації різних листових конструкцій розрізняються між собою. Наприклад, вони можуть бути надземними, наземними, підземними, підводними; можуть сприймати статичне і динамічне навантаження; працювати під низьким, середнім чи високим тиском, під вакуумом, під дією низьких, середніх чи високих температур, нейтральних і агресивних середовищ тощо.

Здебільшого листові конструкції працюють у двоосному напруженому стані і поєднують несучі та огороджувальні функції. Вони мають велику довжину зварних швів – у 2…3 рази більшу порівняно із звичайними металевими конструкціями (на одиницю маси). До цих швів висуваються підвищені вимоги – вони повинні бути не тільки міцними, але й щільними, герметичними. Зварні з’єднання виконуються встик або внапустку. Більш доцільним є з’єднання встик, що забезпечує найбільшу надійність і найменші втрати сталі.

Для листових конструкцій використовують листи товщиною до 4 мм з рулонної холоднокатаної сталі, а при товщині від 4 до 10 мм – з рулонної гарячекатаної сталі.

Для більшості листових конструкцій марки сталі вибирають за табл. 50 [1]. Але для деяких споруд спеціального призначення (кожухи доменних печей, повітронагрівачі тощо) марки сталі приймають за спеціальними вимогами.

В резервуарах для кислот та інших агресивних рідин раціональним є використання алюмінієвих сплавів та біметалів – стальних листів, покритих зі сторони агресивного середовища нержавіючою сталлю або нікелем для запобігання корозії.

Зовнішню поверхню резервуарів та газгольдерів покривають лакофарбовою плівкою для захисту від корозії. Внутрішню поверхню захищають від корозії лише при наявності продуктів, агресивних до сталі.

14.1.2. Робота і розрахунок тонких оболонок обертання

Більшість листових конструкцій є оболонками обертання.

Оболонкою називається тіло, обмежене двома поверхнями, відстань між якими (товщина оболонки t) мала порівняно з іншими її розмірами. Більшість оболонок мають постійну товщину, а тому їх геометрія визначається формою серединної поверхні.

Поверхні оболонок мають одну або дві (для сферичних оболонок) осі симетрії і два радіуса кривизни, перпендикулярні до поверхні:

r₁ – меридіальний радіус, який утворює криву обертання;

r₂ – кільцевий радіус обертання з початком на осі симетрії.

Покажемо на прикладі еліпсоїда (рис. 14.1).

Геометрія поверхні оболонки характеризується гауссовою кривизною. Гауссова кривизна К – це добуток головних кривизн К₁ і К₂: К = К₁ ∙ К₂ , де К₁ = 1/r₁; К₂ = 1/r₂.

Якщо центри кривизн розміщуються з одного боку від поверхні, то така поверхня має додатну гауссову кривизну К>0 (сферичні, еліптичні поверхні, рис. 14.2).

Якщо ці центри розміщуються з різних боків поверхні, то поверхня має від’ємну гауссову кривизну К<0 (гіпар, гіперболічний параболоїд, рис. 14.3).

Якщо один з радіусів дорівнює нескінченності, то поверхня має нульову гауссову кривизну К = 0 (циліндричні, конічні, рис.14.4).

Рис. 14.1. Приклад оболонки (еліпсоїд)

Рис.14.2. Поверхні з додатною гауссовою кривизною

Рис. 14.3. Поверхні з від’ємною гауссовою кривизною

Рис. 14.4. Поверхні з нульовою гауссовою кривизною

Під дією довільного навантаження в оболонках можуть виникати дві різні групи зусиль:

1) лише нормальні зусилля N₁ і N₂ в двох взаємно перпендикулярних напрямках (двоосний напружений стан). Такий напружений стан називається безмоментним;

2) згинаючі моменти М₁ і М₂ та поперечні сили Q₁ i Q₂ в двох напрямках. Такий стан умовно назвемо моментним.

Покажемо ці групи зусиль на нескінченно малому елементі dS₁·dS₂, виділеному двома меридіальними і двома горизонтальними площинами (див. рис.14.1).

1. Безмоментний стан (рис. 14.5).

Рис. 14.5. Безмоментний стан на прикладі нескінченно малого елемента

Зусилля N₁ і N₂ викликають нормальні напруження σ₁ і σ₂:

Покажемо перерізи цього нескінченно малого елемента в меридіальній та кільцевій площинах (рис. 14.6).

Рис. 14.6. Перерізи нескінченно малого елемента

2) Моментний стан (рис. 14.7).

Рис. 14.7. Згинаючі моменти та поперечні сили в нескінченно малому елементі

Покажемо розподілення напружень по товщині стінки для двох випадків (рис. 14.8):

Рис.14.8. Епюри напружень по товщині стінки

При безмоментному стані матеріал використовується більш раціонально, оскільки він рівнонапружений в кожній точці перерізу.

Для металевих листових конструкцій практично завжди дотримується умова:

За виконання цієї умови оболонки обертання називаються тонкостінними оболонками. Основний напружений стан тонкостінних оболонок на ділянках, віддалених від країв, є безмоментним. Тонкостінні оболонки розраховуються на розтяг чи стиск як безмоментні.

Виходячи з умови, що сума проекцій всіх сил на нормаль n (див. рис.14.1) дорівнює нулю, було отримане рівняння Лапласа для оболонок подвійної кривизни:

де р – внутрішній тиск; t – температура оболонки.

У цьому рівнянні одночасно два невідомих σ₁ і σ₂, а тому складається ще одне рівняння. Виходячи з умови, що сума проекцій всіх сил на вісь симетрії z дорівнює нулю, отримане друге рівняння:

Знаходимо з другого рівняння

і підставляємо в рівняння Лапласа:

Користуючись формулами

і

можна визначити напруження в будь-якій точці тонкостінної оболонки обертання.

Наприклад:

для кульової оболонки:

для циліндричної оболонки:

для конічної оболонки:

Листові конструкції розраховуються на міцність, стійкість та витривалість.