2.3.4 Работа стержней при кручении
Сопротивляемость кручению отдельных элементов металлических конструкций очень мала, поэтому следует избегать конструктивных решений, допускающих кручение.
Напряжения и деформации при работе элементов на кручение зависят от формы его поперечного сечения. При этом после деформации кручения поперечные сечения не остаются плоскими, а депланируют (коробятся). Существуют два вида кручения: свободное и стесненное.
Свободным кручением называется такой вид кручения, при котором все сечения стержня депланируют одинаково.
Стесненным, или изгибным, кручением называется такой случай кручения, при котором происходит переменная по длине стержня депланация сечений.
Стесненное кручение чаще всего возникает в изгибаемых элементах (балках), когда результирующая внешних сил имеет эксцентреситет относительно центра изгиба. Известно, что в несимметричных профилях (швеллер, уголок) центр тяжести не совпадает с центром изгиба. Поэтому нагрузка, приложенная в центре тяжести, помимо изгиба, вызывает стесненное кручение.
Классическими элементами, которые наилучшим образом сопротивляются кручению, являются стержни сплошного круглого либо трубчатого сечения. В поперечных сечениях таких стержней при закручивании возникают только касательные напряжения τ, уравновешивающие внешний крутящий момент.
τ
τ
τ
τ
Центр касательных напряжений располагается в середине контура, поэтому замкнутые профили обладают большой сопротивляемостью кручению.
Касательные напряжения в открытых профилях располагаются по контуру:
Центр касательных напряжений располагается в центре каждой пластинки, поэтому сопротивляемость кручению мала.
Постановка поперечных диафрагм и особенно поперечных планок, замыкающих в отдельных местах открытый профиль, во много раз увеличивает жесткость элементов при кручении.
2.3.5.Устойчивость элементов металлических конструкций.
Исчерпание несущей способности элемента конструкции может произойти не только в результате разрушения материала, но и в результате потери им устойчивости. Потеря устойчивости свойственна относительно тонким и гибким элементам при наличии в них сжимающих напряжений. Потеря устойчивости характеризуется тем, что при увеличении нагрузки после достижения в элементе определенной величины напряжений происходит резкое нарастание искривления элемента, отклонения его от первоначальной формы равновесия, сопровождающееся падением несущей способности. Строгое определение этих состояний можно дать на основе энергетических принципов:
при N=const, давая стержню возможные перемещения, можно подсчитать приращение работ внешних сил δАе и внутренних сил δАi
Если δАi > δАе – устойчивое состояние стержня
δАi <δАе – неустойчивое состояние
δАi =δАе – критическое состояние
Те
силовые воздействия или напряжения,
при которых происходит отклонение от
первоначальной устойчивой формы
равновесия, называются критическими:
,
,
.
Различают:
потерю общей устойчивости, когда при нагрузке, превышающей критическую, весь элемент (колонна, балка( теряет первоначальную форму и изгибается или закручивается.
потерю местной устойчивости, когда весь элемент сохраняет первоначальную форму, а выпучивается какая-либо из сжатых пластинок, входящих в состав элемента.
Падение несущей способности элементов при потере устойчивости происходит весьма быстро, без заметных предварительных деформаций, что затрудняет принятие мер по усилению. Неправильный учет критических усилий в металлических конструкциях – одна из наиболее распространенных причин их повреждений и аварий.