МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ (2 листа)

1. Предельные состояния и основы расчета. Классификация нагрузок и сочетание нагрузок.

Предельным называется состояние конструкции, при котором она перестает удовлетворять эксплуатационным требованиям. В соответствии с характером требований, предъявляемых к конструкции, различают первое и второе предельное состояния. Существует множество причин приводящих конструкцию в предельное состояние. Поэтому в нормах проектирования они фигурируют как группы предельных состояний.

Первая группа включает в себя потери несущей способности и полную непригодность конструкции к эксплуатации вследствие потери устойчивости, разрушения металла, качественного изменения конфигурации, чрезмерного развития пластических деформаций.

Вторая группа предельных состояний характеризуется затруднением нормальной эксплуатации сооружений или снижением долговечности вследствие появления недопустимых перемещений (прогибов, осадок опор, углов поворота, колебаний, трещин и т.п.).

Расчетные формулы для подбора сечений и проверки несущей способности конструкции по первому предельному состоянию исходят из основного неравенства

N ≤S (2.1)

где N – предельное наибольшее усилие в конструкции, вызываемое внешними воздействиями;

S – предельная несущая способность конструкции, зависящая от прочности материала, размеров поперечного сечения и условий работы конструкции.

В течение всего срока эксплуатации конструкции внешние воздействия могут меняться. Наибольшие их величины встречаются достаточно редко, поэтому наибольшие нагрузки предусмотрены нормативными документами. В

соответствии с этим в нормах проектирования различают расчетные величины воздействия F и нормативные Fn , которые связаны между собой коэффициентом надежности по нагрузке γ _f , т.е. F = Fn ⋅ γ _f .

Нормативные нагрузки определяются по СНиП 2.01.07-85 “Нагрузки и воздействия”.

Для определения расчетной нагрузки задаются обеспеченностью W (F₀ ) = 0,999 , т.е. допускается всего 0,1% случаев превышения этой нагрузки за весь период эксплуатации сооружения. Задавая достаточно высокую обеспеченность расчетной нагрузки, определяют ее значение, а следовательно, коэффициент надежности по нагрузке γ _f = F/ F_n

Обычно на конструкции действует одновременно несколько видов нагрузок. Поэтому и суммарное воздействие всех расчетных нагрузок должно иметь статистическую изменчивость. Чем больше одновременно действующих нагрузок учитывается в расчете, тем меньше вероятность превышения их максимального суммарного воздействия.

В методике предельных состояний это учитывается коэффициентом сочетаний ψ ≤ 1 , на который следует умножать каждую из суммируемых нагрузок. Согласно СНиП 2.01.07-85 значения коэффициентов сочетаний колеблются от 1 до 0,6 и менее для особых случаев.

Для таких сооружений как атомные электростанции, телевизионные башни, крытые спортивные и другие сооружения, имеющие особо важное значение (класс 1) вводится коэффициент надежности по ответственности γ n , который задается в пределах 0,95 до 1,2 для сооружений первого класса, для второго класса 0,95, для прочих 0,8 - 0,95.

Тогда левую часть неравенства (2.1) можно записать

m

N = γ _n ∑ F_niγ _fiψ _iα _i ≤ АRn γ _c / γ _m =S (2.2)

i −1

где α i - число влияния, т.е. усилие в конструктивном элементе от единичной внешней нагрузки;

m - число нагрузок, учитываемых одновременно в работе конструкции.

Правая часть неравенства (2.1) выражает предельную несущую способность конструкции, зависящую от сопротивляемости материалов внешним воздействиям (нагрузкам).

Кроме того, в расчет вводятся понятия нормативного сопротивления материала Rn и расчетного сопротивления R , которые связаны между собой коэффициентом надежности по материалу γ _m соотношением R = R_n /γ _m .

Нормативное сопротивление регламентируется СНиПом II-23-81* и соответствующими ГОСТами.

Классификация нагрузок и их сочетаний

При методике предельных состояний все нагрузки классифицированы в зависимости от вероятности их воздействия на нормативные и расчетные.

По признаку воздействия нагрузки разделяются на постоянные и временные. Последние могут быть длительного и кратковременного воздействия.

Кроме того, есть нагрузки, которые выделяются в разряд особых нагрузок и воздействий.

Постоянные нагрузки – собственный вес несущих и ограждающих конструкций, давление грунта, предварительное напряжение.

Временные длительные нагрузки – вес стационарного технологического оборудования, вес складируемых материалов в хранилищах, давление газов, жидкостей и сыпучих материалов в емкостях и т.д.

Кратковременные нагрузки – нормативные нагрузки от снега, ветра, подвижного подъемно-транспортного оборудования, массы людей, животных и т.п.

Особые нагрузки – сейсмические воздействия, взрывные воздействия. Нагрузки, возникающие в процессе монтажа конструкций. Нагрузки, связанные с поломкой технологического оборудования, воздействия, связанные с деформациями основания в связи с изменениями структуры грунта (просадочные грунты, осадка грунтов в карстовых районах и над подземными выработками).

Существует иногда термин “полезная нагрузка”. Полезной называют нагрузки, восприятие которых составляет цельное назначение сооружений, например, вес людей для пешеходного моста. Они бывают как временными, так

и постоянным, например, вес монументального выставочного сооружения является постоянной нагрузкой для постамента. Для фундамента вес всех вышележащих конструкций также представляет полезную нагрузку.

При действии на конструкцию нескольких видов нагрузок усилия в ней определяются как при самых неблагоприятных сочетаниях с использованием коэффициентов сочетаний ψ .

В СНиПе 2.01.07-85 “ Нагрузки и воздействия” различают: основные сочетания, состоящие из постоянных и временных нагрузок; особые сочетания, состоящие из постоянных, временных и одной из особых нагрузок.

При основном сочетании, включающем одну временную нагрузку, коэффициент сочетаний ψ = 1 . При большем числе временных нагрузок, последние умножаются на коэффициент сочетаний ψ < 1 .

В особых сочетаниях временные нагрузки учитываются с коэффициентом сочетаний ψ < 1 , а особая нагрузка - с коэффициентом ψ = 1 . Во всех видах сочетаний постоянная нагрузка имеет коэффициент ψ = 1 .

Виды сварных соединений.Работа, расчет сварных соединений.Расчет стыковых швов.

Сварка — это технологический процесс получения неразъемного со­единения металлических или неметаллических деталей с применением нагрева (до пластического или расплавленного состояния), выполненного таким обра­зом, чтобы место соединения по механическим свойствам и своему составу по возможности не отличалось от основного материала детали.

Сварной шов – это закристаллизовавшийся металл, который в процессе сварки находился в расплавленном состоянии.

Сварное соединение – ограниченный участок конструкции, содержащий один или несколько сварных швов.

Виды сварных швов

В зависимости от формы сечения сварные швы могут быть

Виды сварных соединений

В зависимости от характера сопряжения свариваемых деталей различают следующие виды сварных соединений:

Стыковым соединением называется сварное соединение двух элементов, примыкающих друг к другу торцевыми поверхностями и размещенных на одной поверхности или в одной плоскости. Основные виды стыковых сварных соединений представлены на рисунке ниже.

Угловым соединением называется сварное соединение двух элементов, размещенных под углом и сваренных в месте примыкания их краев.

Тавровым соединением называется такое сварное соединение, в котором торец одного элемента примыкает под углом и присоединен к боковой поверхности другого элемента.

Нахлесточным соединением называется сварное соединение параллельно размещенных и частично перекрывающихся элементов.

Торцовым соединением называется такое сварное соединение, в котором боковые поверхности элементов примыкают друг к другу.

Расчет стыковых соединений.

 РАБОТА И РАСЧЕТ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ 

Прочность сварных соединений зависит от: прочности основного ме­талла соединяемых элементов, прочности наплавленного металла шва, формы и вида соединения и связанного с этим распределения напряже­ний в соединении, характера силового воздействия на соединение, тех­нологии сварки. 

Прочность наплавленного металла шва определяется составом элек­тродной проволоки, составом обмазки или флюса при механизированной сварке и технологией сварки. Рекомендация применения сварочных ма­териалов при дуговой сварке конструкции из сталей разных классов помещена в табл. 5.1. Применение этих материалов при правильном технологическом процессе обеспечивает получение прочностных харак­теристик металла соединения не ниже характеристик основного метал­ла, что видно из табл. 5.1. Однако при некачественном выполнении шва в нем могут оказаться поры, газовые и шлаковые включения и прочие внутренние дефекты, которые являются внутренними источниками кон­центрации напряжений и будут ослаблять шов при его работе на растяжение. Поэтому стыковой шов, работающий на растяжение, принимает­ся равнопрочным основному металлу только в том случае, если он будет надежно проверен одним из физических методов контроля (просве­чивание рентгеновскими или гамма-лучами, проверка ультразвуком) и признан годным к эксплуатации. На стыковые швы, работающие на сжа­тие или срез, влияние возможных внутренних источников концентрации напряжений (газовые и шлаковые включения, поры и т. п.) оказывается меньшим, а потому применение физических методов контроля для них не является обязательным. Это позволяет принимать для таких швов рас­четные сопротивления равными сопротивлению основного металла.

Угловые швы (лобовые и фланговые) всегда испытывают совокуп­ность воздействий осевой силы, изгиба и среза, имеют значительную кон­центрацию напряжений и их расчет носит условный характер.

Работа и расчет соединений стыковых швов 

Хорошо сваренные встык соединения имеют весьма небольшую кон­центрацию напряжений у начала наплава шва, поэтому прочность таких соединений при растяжении или сжатии в первую очередь зависит от прочностных характеристик основного металла и металла шва. Разли­чия разделки кромок соединяемых элементов не влияют на статическую прочность соединения и могут не учитываться.

В стыковом шве при действии на него центрально-приложенной силы N распределение напряжений по длине шва принимается равно­мерным, рабочая толщина шва принимается равной меньшей из толщин соединяемых элементов. Поэтому напряжение в шве, расположенном перпендикулярно оси элемента (рис. 5.10,а), определяется по формуле

σ_ш = N / tlш ≤Rсвγ,    (5.1)

где N — расчетное усилие; t — рабочая толщина шва — наименьшая толщина соединяе­мых элементов;

 lш — расчетная длина шва, равная его полной длине, если начало и конец шва выведены за пределы стыка, в ином случае lш=l—2t, где l — фактическая длина шва;

Rсв—расчетное сопротивление сварного стыкового соединения сжатию или растяжению, 

γ — коэффициент условий работы элемента.

Для стыковых соединений, в которых невозможно обеспечить пол­ный провар по толщине свариваемых элементов путем подварки корня шва или применения остающейся стальной подкладки, в формуле (5.1) вместо t следует принимать 0,7t

Расчетное сопротивление стыкового соединения, выполненного авто­матической, полуавтоматической или ручной сваркой материалами, ре­комендованными табл. 5.1, принимается: при сжатии соединения неза­висимо от методов контроля Rсв=R; при растяжении (осевом или при изгибе) соединения, проверенного физическими методами контроля, Rсв=R; при растяжении соединения, не проверенного физическими ме­тодами контроля, Rсв=0.85R; при сдвиге соединения Rсв=Rср, где R и Rср — расчетные сопротивления основного металла.

Если расчетное сопротивление сварки в стыковом соединении Rсв меньше расчетного сопротивления основного металла и в стыкуемом элементе действующие напряжения превышают Rсв, то для увеличения длины шва его делают косым (рис. 5.10,б). Косые швы с наклоном реза tg α = 2:1, как правило, равнопрочны с основным металлом и потому не требуют проверки.

В отдельных случаях, когда необходимо снизить напряжение, напри­мер при вибрационной нагрузке, приходится рассчитывать и косые швы. Разложив действующее усилие на направление, перпендикулярное оси шва, и вдоль шва, находим напряжения:

перпендикулярно шву   σш —N sinα/tlш;   (5.2)

вдоль шва т_ш = N соsα/tlш,  (5.3)

где lш= b/sinα-2t — расчетная длина косого шва.

При действии изгибающего момента на соединение (рис. 5.10, в) на­пряжения в шве

(5.4)

где  - момент сопротивления шва.

Сварные соединения встык, работающие одновременно на нормаль­ные напряжения и срез, проверяют по формуле

(5.5)

где σш.х и σш.у — нормальные напряжения в сварном соединении по двум взаимно перпендикулярным направлениям; σш.ху—напряжение в сварном соединении от среза.

Подбор сечений и расчет прокатных балок. Компоновка и подбор сечений составных балок.

В качестве прокатных балок, работающих на изгиб, применяются двутавры по ГОСТ 8239—72 с изм., двутавры с параллельными гранями полок, тип Б, по ТУ 14-2-24-72 и для прокатных прогонов скатных кро­вель— швеллеры по ГОСТ 8240—72. Разнообразие прокатываемого сор­тамента достаточно велико, и прокатные балки можно использовать в конструкциях, требующих W≤13000 см³.