Размещено на http://www.allbest.ru/

Металлические конструкции

1. Стали и алюминиевые сплавы. Общие сведения. Классификация и состав сталей и алюминиевых сплавов. Служебные свойства стали. Сортамент. Работа стали при статической нагрузке

Сталь-сплав железа с углеродом, содержащий легирующие добавки, улучшающие качество металла, и вредные примеси, которые попадают в металл из руды или образуются в процессе выплавки. Основу стали составляет феррит. Феррит имеет малую прочность и очень пластичен, поэтому в чистом виде в стр. констр. не применяется. Прочность его повышают добавками углерода, легированием марганцем, кремнием, ванадием, хромом и др. элементами, термическим упрочнением. Сталь, примен. в стр. констр. , производят 2 способами: в мартеновских печах и конвертерах с поддувкой кислородом сверху. Классификация сталей. По прочностным свойствам стали условно делят на 3 группы: обычной прочности, повышенной прочности, высокой прочности. По хим. составу стали подразделяются на углеродистые и легированные. Углеродистые стали обыкновенного качества состоят из железа и углерода с некоторой добавкой кремния (или алюминия) и марганца. Прочие добавки(медь, хром и т. д. ) специально не вводятся и могут попасть в сталь из руды. Углерод, повышая прочность стали, снижает её пластичность и ухудшает свариваемость, поэтому в стр. констр. примен. только низкоуглеродистые стали с содержанием углерода не более 0, 22%. В состав легир. сталей помимо железа и углерода вводят спец. добавки, улучшающие их качество. Поскольку большинство добавок ухудшают свариваемость стали, а также удорожают её, в стр-ве в основном применяют низколег. стали с сум. содержанием легир. добавок не более 5%. Осн. легирующими добавками явл. кремний(повышает прочность стали, но ухудшает её свариваемость и стойкость против коррозии), марганец (повышает прочность, соединяясь с серой снижает её вредное воздействие), медь(повышает прочность, увеличивает стойкость против коррозии), хром и никель (повышает прочность без снижения пластичности и улуч. её корроз. стойкость), азот(способствует старению стали и делает её хрупкой) алюминий (повышает ударную вязкость). Вредные примеси. Фосфор (повышает хрупкость стали), сера(делает сталь красноломкой)От вида поставки стали подразделяют на горячекатанные и термообработанные. По степени раскисления стали могут быть кипящими, полуспокойными, спокойными. Служебные свойсва стали. Наиболее важными для работы конструкций явл. механ. св-ва:прочность, упругость, пластичность, склонность к хрупкому разрушению, ползучесть, твердость, а также свариваемость, коррозионная стойкость, склонность к старению и технологичность. Прочность хар-ся сопротивлением материала внешним силовым воздействиям без разрушения. Упругость-св-во материала восстанавливать свою первоначальную форму после снятия внешних нагрузок. Пластичность-св-во материала сохранять несущую способность в процессе деформирования. Хрупкость-склонность к разрушению при малых деформациях. Ползучесть-св-во мат-ла непрерывно деформироваться во времени без увеличения нагрузки. Твердость-св-во поверхостно-го слоя металла сопр-ся деф-ции или разрушению при внедрении в него более тв. материала. Основными прочностными хар-ками металла явл. временное сопр-е уu и предел текучести уy. Временное сопр-е-предельная разрушающая нагрузка, отнесенная к первоначальной площади поперечного сечения образца. Предел текучести-напр-е, которое соответствует остаточному относительному удлинению после разгрузки, равному 0, 2%. Если металл подвергается действию многократного непрерывного нагружения, то разрушение может произойти при напряжении меньше временного сопротивления и даже предела текучести. Это явление назыв. усталостью металла. Мерой пластичности служит относительное остаточное удлинение при разрыве или относительное сужение при разрыве. Упругие св-ва мат-ла хар-ся модулем упругости Е=tgб(б-угол наклона начального участка диаграммы работы стали к оси абцисс), и пределом упругости ус, т. е. таким макс. напр, после которого остаточное деформации отсутствуют. Несколько ниже ус находится предел пропорциональности-напр. , до которого материал работает по закону Гука:у=Ее. Ползучесть проявляется при высоких темп. Оценку степени ползучести проводят по результатам испытаний образцов на растяжение. Важное требование к сталям- свариваемость. Оценку свариваемости производят по хим. составу. Долговечность ст. констр. опред. корроз. стойкостью. Сопротивляемость стали корроз. разрушению зависит от хим. состава, её проверяют путем длит. выдержки образцов в агрессивной среде. Мерой корроз. стойкости служит скорость коррозии по толщине металла в мм/год. Фасонный прокат изгот из сталей С235, С245, С255, С265, С275, С285, С345, С345к, С375, для листового и универсального проката и гнутых профилей исп. также стали С390, С390К, С440 и С590К. Сортамент. Для стальных конструкций исп. листовую и профильную сталь. Профильную сталь подразделяют на сортовую(круг, квадрат, полоса, уголки) и фасонную (двутавры, швеллеры и др. фасонные профили). Кроме того, широко применяют вторичные профили:сварные, получ. сваркой полос или листов, и гнутые, образ. холодной гибкой полос и листов. Каталог профилей с указанием их формы, размеров, геом. хар-к и массы назыв. сортаментом и оформляют в виде ГОСТов или технических условий (ТУ).

Алюминий по своим св-вам существенно отличается от стали. Плотность2, 7т/м3, т. е. в 3раза меньше плотности стали. Не имеет площадки текучести, очень пластичен, но прочность его весьма низка. Чистый ал. быстро покрывается очень прочной окисной пленкой, препятств. дальнейшему развитию коррозии. Вследствие весьма низкой прочности чистый ал. в стр. констр. примен. весьма редко. Значительное увеличение прочности ал. достигается путем легирования его магнием, марганцем, медью, кремнием, цинком и некоторыми др. элементами. С повышением температуры прочность ал. снижается и при темп. свыше 300єC близка к 0. Ал. сплавы: термически упрочняемые(Аl-Мg-Si, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Zn)-особенностью явл. способность к дальнейшему увеличению прочности в процессе старения после термической обработки, термически неупрочняемые(Аl-Mg, Al-Mn)-термическая обработка к упрочнению не приводит. Конструкции из ал. благодаря малой массе, стойкости против коррозии, хладостойкости, антимагнитности, отсутствия искрообразования, долговечности и хорошему виду имеют перспективу применения во многих областях стр-ва. Однако из-за высокой ст-ти применение весьма ограничено. Работа стали при статическом нагружении. На первой стадии до предела пропорциональности уp связь между напряж. и деф-ями подчиняется закону Гука-это стадия упругой работы. Деф. исчезают после снятия нагрузки. При дальнейшем увеличении нагрузки пропор-циональность между напр. и деф-ями нарушается (участок упругопластической работы между уp и уу). В упругой стадии модуль деф-цииЕ=2, 06*104кН/см2). В упрогоплас-тической стадии Е переменный. Последующее увеличение нагрузки приводит к тому, что деф-ции растут при пост. нагрузке. На диаграмме появляется площадка текучести. Стадию работы мат-ла, в которой происходит повышение сопр-я внешним возд-ям после площадки текучести до временного сопр-ния, назыв. стадией самоупрочнения (в этой стадии мат-л работает как упругопластический). При напр. , близких к временному сопр. уu в наиболее слабом месте образца образуется шейка, а затем разрыв.

2. Основы расчета металлических конструкций по предельным состоянием. Предельные состояния металлических конструкций. Нормативные и расчетные нагрузки, сочетания нагрузок. Нормативные и расчетные сопротивления стали. Коэффициенты надежности. Принципы расчета по предельным состояниям растянутых, сжатых и изгибаемых элементов

сталь алюминиевый сварное болтовое соединение

Принцип - обеспечение заданных условий эксплуатации при мин. ст-ти конструкций - положен в основу метода ПС. При этом под предельным понимают такое состояние, при котором конструкции перестают удовлетворят заданным требованиям. ПС поделены в зависимости от их опасности и возможных последствий на 2группы:первая включает ПС, ведущие к полной непригодности к эксплуатации констр. и(или) потере ими несущей способности, эти состояния можно определить как абсолютные ПС; вторая включает ПС, затрудняющие нормальную эксплуатацию и снижающие долговечность констр. Эти ПС м. б. ликвидированы в процессе текущего ремонта.

К ПС первой группы относят:*разрушения любого характера(вязкое, хрупкое, усталостное);*потерю уст-ти формы(например, потерю уст-ти сжатого или изгиб.

*потерю уст-ти положения(например, опрокидывание подпорной стенки);

*превращение системы в неизменяемую;

*чрезмерное развитие пластических деформаций;

*возникновение трещин в метал. констр, которые могут привести к обрушению. К ПС второй группы относят:

*перемещения констр. , затрудняющие эксплуатацию сооружения;

*колебания, нарушающие работу оборудования или сан-гигиен. нормы для работающего персонала;

*другие нарушения, требующие временного прекращения эксплуатации и проведение ремонта. Расчет конструкций должен гарантировать ненаступление ПС.

Для ПС 1группы это условие обеспечивается, если усилие, возникающее в элементе от внешних воздействий, не будет превышать предельного усилия, которое может выдержать элемент(N?S). Для 2группы ПС предельное неравенство:

ѓ?[ѓ],

где: ѓ-перемещение конструкции, [ѓ]-предельное перемещение, допустимое в условиях эксплуатации. Нагрузки, отвечающие нормальным условиям эксплуат, назыв. нормативными(постоянные, временные длительные, кратковременные, особые). Нормативные нагрузки имеют достаточно низкую обеспеченность 90-95%. Умножая нормативные значения нагрузок на коэф. надежности по нагрузке, получают расчетные нагрузки. Для большинства расчетных нагрузок их обеспеченность превышает 0, 99. Нагрузки действуют не раздельно, а в сочетании с друг другом. Различают следующие сочетания нагрузок: а)основные сочетания, состоящие из пост, врем. длит. и кратковременных нагрузок; б)особые сочетания, состоящие из постоянных, врем. длит. , кратковременнных и одной из особых нагрузок. При расчете конструкций на основные сочетания, включающие только одну кратковрем. нагр, коэф. сочетания принимают равным 1. При расчете на основные сочетания, включ. не менее двух кратковременных нагрузок, значения кратковременных нагрузок умножают на коэф. сочетания, равный 0, 9.

Значения предела текучести и временного сопротивления назыв. соответственно нормативным сопротивлением по пределу текучести Rуn и нормативным сопротивлением по временному сопротивлению Run. Основной расчетной хар-кой стали явл. расчетное сопротивление, определяемое делением нормативного сопротивления на коэф. надежности по материалу: Rу=Rуn/гm; Ru=Run/гm. Коэф. надежности по материалу вводят для того, чтобы он учел влияние факторов (вероятность, что в конструкцию попадет металл с более низкими хар-ками, то, что контроль проводят выборочным методом и т. д. ) на снижение несущей способности конструкций. Рассмотренные нормативные и расчетные сопротивления относятся к работе стали на растяж, сжатие и изгиб, . При срезе расчетные сопротивления Rs определяют путем умножения расчетного сопротивления растяжению Rу на коэф. перехода 0, 58. т. е. Rs=0, 58Rу. При сжатии Rр=Ru. Коэф. надежности по назначению гn -учитывает степень ответственности сооружения и обеспечивает требуемый уровень надежности. К-т надежности по нагрузке гf-учитывает х-р нагрузки и степень её изменчивости. К-т условия работы гс-учитывает возможность отклонения фактической работы кон-ции от расчетной схемы. Дополнительный коэ-т надежност гu-учитывает повышенную опасность.

ПС1Г центрально растянутых элементов проверяются расчетом по прочности и пригодности к эксплуатации. Прочность проверяется путем сравнения напряжений, вычисленных от расчетных нагрузок, с расчетным сопротивлением, установленным по временному сопротивлению, умноженным на коэф. условий работы и делением на коэф надежности, обеспечивающий необходимый запас против разрушения стали и принимаемый 1, 3.

N/A?Ru*гc/гu,

где N-продольная сила, определяемая от расчетных нагрузок, А-площадь растянутого элемента. При наступлении текучести в растянутом элементе удлинение присходит сразу на всю площадку текучести. Поэтому расчетом производится вторая проверка-упругая работа растянутого элемента путем сравнения продольных напряжений, вычисленных от расчетных нагрузок, с расчетным сопротивлением R, установленным по пределу текучести и умноженным на коэф. условия работы гс:

N/A?Rу*гc.

Расчет на прочность центр. сжатых элементов выполняется так же, как и центрально раст.

Для изгибаемых элементов расчетом проверяются следующие ПС: первой группы-вязкое и усталостное разрушение, потеря уст-ти, а также текучесть материала, второй группы-достижение предельных перемещений. Прочность изгиб эл, раб. в пределах упругих деформаций, при изгибе в 1 из главных пл-тей пров-ся по ф-лам:

М/W?Rу*гc, Q*S/I*t?Rs*гc.

Прочность элементов при изгибе в 2 плоскостях: (Мx*у/Ix)+(Му*x/Iу) ?Rу*гc. При развитии пластических деформаций приведенные напряжения проверяют по ф-ле:

упр=vуx2+уу2-уxуу+фxу2?1, 15*Rу

Расчет изгиб элементов при ограниченном развитии пластических деформаций. Проверка прочности балок опред-ся по ф-ле:

М/с1*W?Rу*гc.

При изгибе балки в 2пл-тях:(Мx*у/сx*Ix)+(Му*x/cу*Iу) ?Rу*гc, с1, сx, су-коэф, учит. развитие пластических деф. по сечению.

Проверка общей уст-ти:изг. эл сводится к сравнению возникающих напряжений с критическими:

М/W*цб? Rу*гc,

W-момент сопротивления для сжатого пояса, цб-балочный коэф. Уст-ть стержней, сжатых осевой силой: N/A*цe? Rу*гc, где цe-коэф. продольного изгиба, зависит от гибкости стержня и величины расчетного сопротивления, опред по ф-лам, привед. в СНиП. Прочность внец раст и внец сжатых эл. конструкций при динам воздействиях, а также эл. констр, выполн. из сталей выс. прочности с расч сопрот R>580МПа выполняется в упругой стадии работы материала: N/A±(Мx*у/Ix)+(Му*x/Iу) ?Rу*гc

Для внец раст и внец сжатых эл. из пластических сталей с пределом текучести до 580МПа при действии статических нагрузок предельное состояние по прочности опред-ся с учетом развития пластических деф. :

(N/A)n±(Мx*у/Ix)+(Му*x/Iу) ?Rу*гc.

Проверка устойчивости внец сжатых элементов:

N/с*цу*A ?Rу*гc,

где цу-коэф. Продольного изгиба, принимаемый как для центрально сжатого стержня в зависимости от гибкости лу, с-коэф. , учит. изгибно-крутильную форму потери уст-ти и зависящий от относит эксцентриситета и формы сечения.

3. Соединения металлических конструкций. Сварные соединения и их классификация. Работа и расчет сварных соединений. Болтовые соединения и их классификация. Работа и расчет болтовых соединений

Соединения метал констр. *сварные, *болтовые; *заклепочные; *комбинированные

Сварные соединения и их классификация. Вид сварного соединения опред-ся взаимным расположением свариваемых элементов. Различают стыковые, угловые, тавровые и нахлесточные соединения. Стыковые - наиболее рациональны по расходу металла и удобны для контроля качества сварного шва. Форма подготовки кромок зависит от толщины свариваемого элемента и способа сварки. Нахлесточные - просты в сборке, обеспеч. возможность подгонки размеров за счет регулирования величины нахлестки, не треб подготовки кромок. Недостаток-возможность образования щели м/у элементами. Угловые и тавровые соединения применяют при изготовлении сварных стержней (двутавров, швеллеров) и др констр эл. Для кач выполнения сварного шва также предусматривают различ формы подготовки кромок.

Классиф. сварных швов: *по форме поперечного сечения-стыковые, угловые *по форме разделки кромок:V, U, К, X -образные; *по положению в пространстве-нижние, вертикальные, гориз-ые, потолочные; *по назначению-рабочие, предназн. для восприятия или передачи расчетных усилий, связующие, предназнач. для соедин. частей элементов констр. в одно целое. *по протяженности- сплошные и прерывистые.

Работа сварных соединений.

1. Стыковой шов работает на растяжение, сжатие, срез

2. Угловые(лобовые и фланговые) испытывают совокупность воздействий осевой силы, изгиба и среза.

Расчет стыковых сварных соединений. Условие прочности при действии на соединение продольной силы N: N/(t*lw*Rwy*гc)?1, где t-расчетная толщина шва = толщине наиб тонкого из соед эл;lw-расчетная длина сварного шва; Rwy-расчетное сопротивление сварного стыкового шва; гc-коэф. условий работы. Расч. длину сварного шва приним равной полной ширине соед. элементов l при условии выполнения шва с применением выводных планок. Если планки не применяют, то lw=l-2t.

Rwy=Ry при сжатии, растяжении, если примен физ методы контроля качества сварного шва. Если физ методы контроля качества сварного шва не исп, то Rwy=0, 85Ry. При расчете стыкового шва на сдвиг Rwy=Rs. В расчетах следует принимать Ry наиб. толстого из свариваемых элементов. В тех случаях, когда условие прочности не выполняется, рекомендуют выполнять косой шов. При этом расчет прочности производят по нормальным напряжениям: уw=Nsinб/(t*lw')?Rwy*гc, где lw'=lw/sinб- расчетная длина косого шва. Прочность косого шва необходимо проверять по приведенным напряжениям:

уwn p=(уw2+3фw2)0, 5?1, 15Rwy

Если сварное соед. испыт. Воздействие изгиб момента М, то его несущ сп-ть опред из выражения: М/(Ww*Rwy*гc) ?1 или

6М/(t*lw2*Rwy*гc) ?1

где Ww= t*lw2/6-момент сопротивления шва. При действии на соединение одновременно осевой силы и изгиб момента напр в шве будут суммироваться и нес сп-ть шва будет равна:

[N/(t*lw*Rwy*гc)]+[6М/(t*lw2*Rwy*гc)] ?1

В стыковых сварных швах, раб. одновременно на изгиб и срез, нес.

сп-ть проверяют по приведенным напряжениям:

уwn p=(уw2+3фw2)0, 5?1, 15Rwy, где уw=N/t*lw-нормальные напряжения в шве; фw=Q/t*lw-касательные напряжения в сварном шве. Расчет соед, выполненных угловыми швами.

Расчет соединения с угловыми швами производится по двум опасным сечениям: по металлу шва:

N/(вf*kf*lw)?Rwf*гwf*гc)и по границе сплавления:

N/(вz*kf*lw)?Rwz*гwz*гc),

где вf, вz-коэф., учитывающие глубину проплавления шва и границы сплавления в зависимости от условий сварки; kf-катет шва; lw-расчетная длина углового шва, приним меньше его полной длины на 10 мм; гwf, гwz-коэф. условий работы шва; гc-коэф. условий работы элементов конструкции; Rwf-расч сопр металла шва, Rwz-расч сопр-е зоны сплавления.

Расчетная длина углового шва lw=N/(в*kf*Rw*гw)min*гc.

Если длина >допустимой расчетной длины=85в*kf, то рацион опред-ть толщину шва: kf?vN/[85вf(в*Rk*гk)min]

Болтовые соединения осущ-ся постановкой мет стержней в совмещенные отверстия соединяемых элементов. Широко примен. при монтаже из-за простоты выполнения. Болты: обычные, высокопрочные, анкерные. Обычные грубой(С), нормальной (В) и повыш. (А)точности. По прочности болты подразделяются на классы прочности: класс прочности болта обознач. 2 цифрами, раздел точками: *1цифра, умн на 10-предел текучести материала болта в кН/см2; произведение чисел - предел текучести мат-ла болта в кН/см2;*вторая цифра, умнож на 10-обозначает уy/уu в %. Болтовые соединения работают преимущественно на сдвиг, в которых при восприятии внешних усилий наблюдается несколько стадий работы. 1стадия-упругая работа, деф-ции соединения пропорциональны напряжениям в основном металле соед. элементов. 2стадия-упругопластическая работа, стержень вовлекается в работу, начинает под влиянием сдвига изгибаться, срезаться и растягиваться. 3стадия- пластическая работа, связанная с работой стержня, когда он значительно деформируется.

Расчет прочности болтовых соединений производится по след ф-лам:*на срез болтов:

N/(n*ns*гb*A*Rs)?1;

*на смятие болтов: N/[n*d*гb*(?t)min*Rp])?1;

*на растяжение болтов:

N/(n*An*Rt) ?1,

где N-расчетное значение продольной силы, действующей на соединение; n-число болтов в соединении; ns - число расчетных срезов одного болта; гb-коэф условий работы болтового соединения; А=d2/4-расчетная площадь сечения стержня болта; Rs, Rp, Rt-расчетное сопротивление на срез, смятие, растяжение болтов; d-наружный диаметр стержня болта; (?t) min суммарная толщина элементов, сминаемых в одном направлении, Аn-площадь сечения болта нетто. При проектировании болтовых соединений кол-во болтов принимаем макс из 2значений: n?N/(ns*гb*A*Rbs)-из условия прочности на срез и n?N/d*гb*(?t)min*Rbp - из условия прочности на смятие. Если болты работают на растяжение, то n?N/(An*Rbt).

Размещено на Allbest.ru