Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Понятие «Металлические конструкции» включают в себя их конструктивную форму, технологию изготовления и способы монтажа. Уровень развития металлических конструкций определяется, с одной стороны, потребностями в них народного хозяйства, с другой - возможностями технической базы развития металлургии, металлообработки, строительной науки и техники.

Металл применяли давно с ХII века в уникальных по тому времени сооружениях (дворцах, церквах, и т. д.) в виде затяжек и скреп для каменной кладки. Затяжки выковывали из кричного железа и скрепляли через проушины на штырях. Первой такой конструкцией являются затяжки Успенского собора во Владимире (1158 г.). Покровский собор в Москве - первая конструкция, состоящая из стержней, работающих на растяжение, изгиб и сжатие. Там затяжки, поддерживающие пол и потолок, укреплены для облегчения работы на изгиб подкосами. Конструктор уже в то время знал, что для затяжки, работающей на изгиб, надо применить полосу, поставленную на ребро, а подкосы, работающие на сжатие, лучше делать квадратного сечения (рис.1).

Рис.1. Перекрытие коридора в Покровском соборе (Москва, 1560 г.)

С начала XVII века металл применяют в пространственных купольных конструкциях глав церквей. Стержни конструкций выполнены из кованых брусков и соединены на замок и скрепы горной сваркой. Такие конструкции можно видеть в наши дни: трапезная Троице-Сергиевой лавры в Сергиевом Посаде 1696-1698 гг., здание Большого Кремлевского Дворца в Москве (1640 г.), каркас купола колокольни Ивана Великого (1603 г.), каркас купола Казанского Собора в Петербурге, пролетом 15 м (1805 г.) и др.

Рис.2. Купол Исаакиевского собора

С начала XVIII стали осваивать процесс литья чугунных стержней и деталей. Строятся чугунные мосты. Соединения чугунных элементов осуществляются на замках и болтах.

Первой чугунной конструкцией в России считается покрытие крыльца Невьянской башни на Урале (1725 г.). В 1784 г. в Петербурге построен первый чугунный мост. Уникальной чугунной конструкцией 40-х г. ХIХ века является купол Исаакиевского собора, собранного из отдельных косяков в виде сплошной оболочки (рис.2).

Чугунная арка, пролетом 30м применена в перекрытии

Александринского театра в Петербурге (1827-1832 гг.).

В 50-е годы ХIХ века в Петербурге был построен Николаевский мост с восемью арочными пролетами от 33 до 47 м, это самый крупный чугунный мост мира.

С 30-х г. ХIХ века до 20-х г. ХХ века - идет быстрый технический прогресс в металлургии и металлообработке, появляются заклепочные соединения, в 40-х г. ХIХ века освоен процесс получения профильного металла и прокатного листа. Сталь почти полностью вытеснила из строительных конструкций чугун. Все стальные конструкции в течение ста последующих лет выполнялись клепанными.

Чугунные конструкции во второй половине ХIХ века применялись лишь в колоннах многоэтажных зданий, перекрытиях вокзальных дебаркадеров и т. п., то есть, где сопротивляемость чугуна сжатию лучше стали.

До конца ХIХ века в России промышленные и гражданские здания строились в основном с кирпичными стенами и небольшими пролетами, для перекрытия использовались треугольные металлические фермы (рис.3). Сначала в фермах не было раскосов, они появились в конце рассматриваемого периода.



Рис.3. Стропильная ферма (70-е годы ХIХ в.)

Во второй половине ХIХ века значительное развитие получило металлическое мостостроение, где стали применять решетчатые фермы с треугольной шпренгельной решеткой, появляется металлический сортамент прокатных профилей.

В начале ХХ века промышленные здания стали строить с металлическим каркасом, который поддерживал как ограждающие конструкции, так и пути мостовых кранов. Несущим элементом каркаса стала поперечная рама, состоящая из колонн и ригелей (стропильные фермы). Все стальные конструкции изготавливались в основном клепанными. Сталь стала вытеснять чугун. К концу века совершенствуется форма ферм, появляются раскосы, узловые соединения вместо болтовых на проушинах, стали выполнять заклепочными с помощью фасонок.

В конце ХIХ столетия стали применять решетчатые рамно-арочные конструкции для перекрытий зданий значительных пролетов, например, Киевский вокзал в Москве по проекту В.Г.Шухова 1913 - 1914 гг. (рис..4). Развивается металлическое мостостроение (например, мост с решетчатыми фермами через реку Лугу, 1853 г.). Профессор Л.Д.Проскурянов ввел в мостовые фермы треугольную и шпренгельную решетки (мост через реку Енисей).

Рис.4. Перекрытие Киевского вокзала в Москве

Дальнейшее развитие металлургии, машиностроения и других отраслей промышленности потребовало оборудования зданий мостовыми кранами. Сначала их устанавливали на эстакадах, но с увеличением грузоподъемности стало целесообразно строить здания с металлическим каркасом, поддерживающим пути мостовых кранов. Основным несущим элементом каркаса стала поперечная рама (рис.5).



Рис.5. Каркас промышленного здания (начало ХХ в.)

Профессор Ф.С.Ясинский первый запроектировал многопролетное промышленное здание. Академик В.Г.Шухов первый в мире разработал и построил пространственные и решетчатые конструкции покрытий и башен различного назначения (телебашня, рис.6).

В построенных им сооружениях реализованы идеи предварительного напряжения конструкций и возведения покрытий в виде висячих систем. Тем самым он предугадал будущие направления в развитии металлических конструкций. Значительна его работа также в области резервуаростроения, он разработал новые формы резервуаров, их расчет и методы нахождения оптимальных параметров (рис.7).

К концу 40-х годов ХХ века клепаные конструкции почти полностью заменили сварными, более экономичными. Появляются низколегированные и высокопрочные стали. Кроме стали, начали использовать алюминиевые сплавы, плотность которых почти втрое меньше.

Расширилась номенклатура металлических конструкций. Большие и многообразные задачи по развитию металлических конструкций решались усилиями проектных, научных и производственных коллективов - Проектстальконструкций, Промстройпроекта и ЦНИПС, переименованного в дальнейшем в ЦНИИСК, а также вузовскими коллективами.

Рис.6. Башня В. Г. Шухова в Москве

Проектировщики взяли за основу схему конструирования поперечной рамы с жестким сопряжением колонны с фундаментами и ригелем. С развитием металлических конструкций, большим объемом и связанная с ним повторяемость конструкций создали предпосылки для разработки типовых систем и конструктивных решений промышленных зданий. В связи с этим впервые введен трехметровый модуль пролетов, который в 50-е годы был заменен шестиметровым.

Рис.7. Листовые конструкции:

а) капле видный резервуар;

б) газгольдер мокрый

Типизация распространялась также на пролетные строения мостов, резервуары, газгольдеры, радиобашни, радиомачты. Типизация, унификация и стандартизация - одно из главных направлений развития металлических конструкций. Это снижало трудоемкость изготовления и монтажа конструкций, уменьшало расход стали. Из общественных сооружений можно выделить павильон Космоса на ВВЦ (Москва), перекрытие Дворца спорта в Лужниках, уникальные большепролетные сооружения с металлическими несущими конструкциями, построенными в Москве к Олимпиаде-80.

Наряду с совершенствованием конструкций развивались формы и методы расчета. До 1950 г. расчет велся по методу допустимых напряжений. Такой расчет недостаточно полно отражал действительную работу конструкции под нагрузкой, приводил к перерасходу металла, поэтому был разработан метод предельного состояния. Появляются ЭВМ, что позволяет проектировщику найти быстро конструктивные оптимальные решения.

Успехами в развитии металлических конструкций мы обязаны профессору Н.С.Стрелецкому, который 50 лет возглавлял школу металлостроения. Он явился одним из инициаторов перехода от расчета по допускаемым напряжениям к расчету по предельным состояниям. В области электросварки большой вклад внес профессор Е.О.Патон.

Параллельно с развитием металлостроения в России, расширяется его использование и в западных странах. Первый чугунный мост был построен в Англии через реку Северн в 1776-1779 гг., пролетом 30,6 м. Мост через Менейский пролив в Англии построен в 1818-1826 гг., пролетом 176,5 м. В 1832-1840 гг. построен мост во Фрейбурге в Швейцарии, пролетом 273 м, а в 1889 г. строится Эйфелева башня в Париже, высотой 300 м и многие другие сооружения.

РАЗДЕЛ 1. ЭЛЕМЕНТЫ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

1.1 Номенклатура и область применения металлических конструкций

металлическая конструкция сортамент ферма

Металлические конструкции применяются во всех инженерных сооружениях значительных пролетов, высоты и нагрузок. В зависимости от конструктивной формы и назначения металлические конструкции можно разделить на восемь видов:

1. Промышленные здания - цельнометаллические или со смешанным каркасом (колонны железобетонные). Цельнометаллические в зданиях с большим пролетом, высотой и грузоподъемностью.

2. Большепролетные покрытия зданий - спортивные сооружения, рынки, выставочные павильоны, театры, ангары и др. (пролеты до 100-150 м).

3. Мосты, эстакады - мосты на железнодорожных и автомобильных магистралях.

4. Листовые конструкции - резервуары, газгольдеры, бункеры, трубопроводы большого диаметра и др.

5. Башни и мачты - радио и телевидения в геодезической службе, опоры линии электропередачи, нефтяные вышки и др.

6. Каркасы многоэтажных зданий. Применяются в многоэтажных зданиях, в условиях плотной застройки больших городов.

7. Крановые и другие подвижные конструкции - мостовые, башенные, козловые краны, конструкции экскаваторов и др.

8. Прочие конструкции по использованию атомной энергии в мирных целях, разнообразные конструкции радиотелескопов для космической и радиосвязи, платформы для разведки и добычи нефти и газа в море и др.

Металлические конструкции обладают следующими достоинствами:

1. Надежность. Материал (сталь, алюминиевые сплавы) обладает большой однородностью структуры.

2. Легкость. Металлические конструкции самые легкие.

3. Индустриальность. Изготовление и монтаж металлических конструкций производится специализированными организациями с использованием высокопроизводительной техники.

4. Непроницаемость. Обладают высокой прочностью и плотностью, непроницаемостью для газов и жидкостей.

Металлические конструкции имеют недостатки:

1. Коррозия. Незащищенность от влажной среды, атмосферы, загрязненной агрессивными газами, сталь коррозирует (окисляется) и разрушается. Поэтому в сталь включают специальные легирующие элементы, покрывают защитными пленками (лаки, краски и т.д.).

2. Небольшая огнестойкость. У стали при температуре 200?С уменьшается модуль упругости, а при температуре 600?С сталь полностью переходит в пластическое состояние. Алюминиевые сплавы переходят в пластическое состояние при 300?С. Поэтому металлические конструкции защищают огнестойкими облицовками (бетон, керамика, специальные покрытия и т.д.).

При проектировании металлических конструкций должны учитываться следующие требования:

1. Условия эксплуатации.

2. Экономия металла (высокая стоимость).

3. Транспортабельность (перевозка по частям или целиком с применением соответствующих транспортных средств).

4. Технологичность - использование современных технологических приемов, обеспечивающих снижение трудоемкости.

5. Скоростной монтаж. Сборка в наименьшие сроки.

6. Долговечность - определяется сроками физического и морального износа.

7. Эстетичность. Конструкция должна обладать гармоничными формами.

Основным принципом проектирования является достижение трех главных показателей: экономии стали, повышение производительности труда при изготовлении, снижение трудоемкости и сроков монтажа, которые определяют стоимость конструкции.

Достигается это путем использования низколегированных и высокопрочных сталей, экономичных прокатных и гнутых профилей, внедрения в строительство пространственных, предварительно напряженных, висячих, трубчатых и т. п. конструкций, совершенствованием методов расчета и изысканием конструктивных оптимальных решений с использованием ЭВМ. Кроме того, разработаны типовые решения часто повторяющихся конструктивных элементов - колонн, ферм, подкрановых балок, оконных и фонарных проемов, радиомачт, башен, опор линии электропередачи, резервуаров т.п.

1.2 Свойства и работа строительных сталей и алюминиевых сплавов

Для строительных металлических конструкций используются, в основном, стали и алюминиевые сплавы.

Наиболее важными для работы являются механические свойства: прочность, упругость, пластичность, склонность к упругому разрушению, ползучесть, твердость, а также свариваемость, коррозионная стойкость, склонность к старению и технологичность.

Прочность - характеризует сопротивляемость материала внешним силовым воздействиям без разрушения.

Упругость - свойство материала восстанавливать свою первоначальную форму после снятия внешних нагрузок.

Пластичность - свойство материала сохранять деформативное состояние после снятия нагрузки, т.е. получать остаточные деформации без разрушения.

Хрупкость - склонность разрушаться при малых деформациях.

Ползучесть - свойство материала непрерывно деформироваться во времени без увеличения нагрузки.

Твердость - свойство поверхностного слоя металла сопротивляться упругой и пластической деформациям или разрушению при внедрении в него индентора из более твердого материала.

Прочность металла при статическом нагружении, а также его упругие и пластические свойства определяются испытанием стандартных образцов на растяжение с записью диаграммы зависимости между напряжением Х и относительным удлинением е.

Диаграммы растяжения различных металлов показаны на рис.1.1,б.

1.3 Классификация сталей

По прочностным свойствам стали условно делятся на три группы: обычной (Х у = 29 кН/см), повышенной (Х у = 29-40 кН/см) и высокой прочности (Х у > >40 кН/см).

Повышение прочности стали, достигается легированием и термической обработкой.

По химическому составу стали, подразделяются на углеродистые и легированные.

Углеродистые стали состоят из железа и углерода с добавкой кремния (или алюминия) и марганца.



Рис.1.1. К определению механических характеристик металла:

а - образец для испытания на растяжение; б - к определению предела пропорциональности и предела упругости

Углерод (У) повышая прочность стали, снижает ее пластичность и ухудшает свариваемость, поэтому применяются только низкоуглеродистые стали (У < 0,22%).

Легированные стали помимо железа и углерода имеют специальные добавки, улучшающие качество стали. Однако, добавки ухудшают свариваемость стали и удорожают ее, поэтому в строительстве используют низколегированные стали с содержанием добавки не более 5%.

Основными легирующими добавками являются кремний (С), марганец (Г), медь (Д), хром (Х), никель (Н), ванадий (Ф), молибден (М), алюминий (Ю), азот (А).

Кремний раскисляет сталь, т.е. связывает избыточный кислород и повышает ее прочность, снижает пластичность, ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость.

Марганец повышает прочность, снижает вредное влияние серы. При содержании марганца > 1,5% сталь становится хрупкой.

Медь повышает прочность, увеличивает стойкость против коррозии. Содержание меди > 0,7% способствует старению и хрупкости стали.

Хром и никель повышают прочность стали, без снижения пластичности

и улучшают ее коррозионную стойкость.

Алюминий раскисляет сталь, нейтрализует вредное влияние фосфора, повышает ударную вязкость.

Ванадий и молибден увеличивают прочность почти без снижения пластичности, предотвращают разупрочнение термообработанной стали при сварке.

Азот в несвязном состоянии способствует старению стали, делает ее хрупкой, поэтому его должно быть не более 0,009%.

Фосфор относится к вредным примесям так как, повышает хрупкость стали. В зависимости от вида поставки стали подразделяются на горячекатаные и термообработанные (закалка в воде и высокотемпературный отпуск).

По степени раскисления стали могут быть кипящими, полуспокойными и спокойными.

Спокойные стали используют при изготовлении ответственных конструкций, подвергающихся динамическим воздействиям. Полуспокойная сталь - промежуточная между кипящей и спокойной.

1.4 Выбор сталей для строительных конструкций

Выбор стали ведется на основе вариантного проектирования и технико-экономического анализа с учетом рекомендаций норм. Поэтому следует стремиться к большей унификации конструкций, сокращению числа профилей и сталей. Выбор стали, зависит от следующих параметров, влияющих на работу материала:

температуры среды;

характера нагружения;

вида напряженного состояния;

способа соединения элементов;

толщины проката.

В зависимости от условий работы материала все виды конструкций разделены на четыре группы:

К первой группе относятся сварные конструкции, работающие в особо тяжелых условиях, поэтому возможно хрупкое и усталостное разрушение, К свойствам сталей для этих конструкций предъявляются наиболее высокие требования.

Ко второй группе относятся сварные конструкции, работающие на статическую нагрузку при воздействии одноосного и однозначного двухосного поля растягивающих напряжений (например, фермы, ригели рам, балки перекрытий и покрытий и т. д.), а также конструкции первой группы при отсутствии сварных соединений.

Общим для конструкций этой группы является повышенная опасность хрупкого разрушения. Вероятность усталостного разрушения меньше, чем для первой группы.

К третьей группе относятся сварные конструкции, работающие при преимущественном воздействии сжимающих напряжений (например, колонны, стойки, опоры под оборудование и др.), а также конструкции второй группы при отсутствии сварных соединений.

В четвертую группу включены вспомогательные конструкции и элементы (связи, элементы фахверка, лестницы, ограждения и т. п.), а также конструкции третьей группы при отсутствии сварных соединений.

Если для конструкций третьей и четвертой групп достаточно ограничиться требованиями к прочности при статических нагрузках, то для конструкций первой и второй групп важна оценка сопротивления стали динамическим воздействиям и хрупкому разрушению.

В материалах для сварных конструкций обязательно следует оценить свариваемость. Требования к элементам конструкций, не имеющих сварных соединений, могут быть снижены.

В пределах каждой группы конструкций, в зависимости от температуры эксплуатации, к сталям предъявляют требования по ударной вязкости при различных температурах.

В нормах содержится перечень сталей в зависимости от группы конструкций и климатического района строительства.

1.5 Влияние различных факторов на свойства стали

Старение. При температурах ниже температуры образования феррита растворимость углерода ничтожна, но все же в небольшом количестве он остается. При благоприятных обстоятельствах углерод выделяется, располагается между зернами феррита и группируется у различных дефектов кристаллической решетки.

Старению способствуют - механические воздействия, особенно пластические деформации (механическое старение), температурные колебания, приводящие к изменению растворимости и скорости диффузии компонентов (температурное старение). При температуре 150-200єС старение резко возрастает.

Наклеп. Повторные загружения в пределах упругих деформаций (до предела упругости) не изменяют вида диаграммы работы стали, нагружение и разгрузка будут происходить по одной линии (рис.1.2.а).

Рис.1.2. Диаграммы деформирования стали при повторном нагружении

а - в пределах упругих деформаций; б - с перерывом (после «отдыха»); в - без перерыва

Если образец загрузить до пластического состояния и затем снять нагрузку, то появятся остаточные деформации еост. При повторном нагружении образца после некоторого «отдыха» материал работает упруго до уровня предыдущего загружения. Повышение упругой работы материала в результате предшествующей пластической деформации называется наклепом. При наклепе искажается атомная решетка и увеличивается плотность дислокаций. Пластичность стали снижается, повышается опасность хрупкого разрушения, что неблагоприятно сказывается на работе строительных конструкций.

Наклеп возникает в процессе изготовления конструкций при холодной гибки элементов, пробивке отверстий, резке ножницами.

Влияние температуры. Механические свойства стали при нагревании ее до температуры t = 200-250?С практически не меняются.

При температуре 250-300?С прочность стали повышается, но снижается пластичность. Сталь становится более хрупкой.

Нагрев свыше 400?С приводит к резкому падению предела текучести и временного сопротивления, при t = 600-650єС наступает температурная пластичность и сталь теряет свою несущую способность.

При отрицательных температурах прочность стали возрастает, временное сопротивление и предел текучести сближаются, ударная вязкость падает и сталь становится хрупкой.

Склонность стали к хрупкому разрушению при низких температурах зависит от величины зерна (мелкозернистые стали лучше сопротивляются хрупкому разрушению и имеют более низкий порог хладноломкости), наличия вредных примесей (фосфор, сера, азот, водород), толщины проката (масштабный фактор).

Наиболее склонны к хрупкому разрушению кипящие стали.

1.6 Виды разрушений

Разрушение металла в зависимости от степени развития пластических деформаций может быть хрупким или пластичным (вязким).

Хрупкое разрушение происходит путем отрыва (рис.1.3,а), без заметных деформаций, внезапно. Пластическое разрушение является результатом сдвига, сопровождается значительными деформациями, которые могут быть своевременно обнаружены, и поэтому менее опасно (рис.1.3, б).

Один и тот же материал может разрушаться хрупко и пластично (вязко) в зависимости от условий работы (вид напряженного состояния, наличия концентраторов напряжений, температура эксплуатации).

При отрыве разрушается межатомная решетка. Зная силы сцепления между атомами, можно определить прочность кристалла при отрыве, которая равна приблизительно 3300 кН/смІ.

Сдвинуть одну часть кристалла относительно другой значительно легче, так как касательные напряжения, которые необходимо приложить для смещения составляют около 1300 кН/смІ (рис.1.3,в), что намного больше предела текучести реальных материалов.

Рис.1.3. Виды разрушения:

а - отрыв; б - срез; в - схема смещения атомных слоев при сдвиге; г - диаграмма работы материала; 1 - плоское скольжение; 2 - вязкое разрушение; 3 - хрупкое разрушение

1.7 Работа металла под нагрузкой

Работу стали при одноосном напряжении можно проследить по испытанию образца на растяжения (рис.1.4.).

В стадии 1 до предела пропорциональности Хр связь между напряжением и деформациями подчиняется закону Гука (Х=Ее) - это стадия упругой работы.

Деформации происходят за счет упруго возвратных искажений кристаллической решетки и исчезают после снятия нагрузки.

Рис.1.4. Диаграмма растяжения стали и образование шейки

При дальнейшем увеличении нагрузки (стадия 2) появляются отдельные сдвиги в зернах феррита, дислокации начинают скапливаться около границ зерен; прямая пропорциональность между напряжениями и деформациями нарушается (участок упруго пластической работы между Хр и Хy). Последующее увеличение напряжений приводит к интенсивному движению дислокаций и увеличению их плотности, развитию линий сдвига в зернах феррита; деформации растут при постоянной нагрузке. На диаграмме появляется площадка текучести (стадия 3).

Протяженность площадки текучести низкоуглеродистых и некоторых низколегированных сталей составляет 1,5 - 2,5%.

Развитие деформаций происходит в результате упругого деформирования и необратимых пластических сдвигов. При снятии нагрузки упругая часть деформаций исчезает, а необратимая остается, приводя к остаточным деформациям (линия разгрузки идет параллельно упругой части линии нагрузки).

Дальнейшее развитие деформации сдерживается у границ зерен. Линии сдвига искривляются, движение дислокации затрудняется, и рост деформаций возможен только при увеличении нагрузки (стадия 4 - самоупрочнение), материал работает как упругопластический.

При напряжениях, близких к временному сопротивлению (Хu) продольные и поперечные деформации локализуются в наиболее слабом месте, и в образце образуется шейка. Площадь сечения шейки интенсивно уменьшается, напряжения в месте сужения растут, поэтому, несмотря на то, что нагрузка на образец снижается, в месте образования шейки нарушаются силы межатомного

Сцепления и происходит разрыв.

Площадка текучести свойственна сталям с содержанием углерода 0,1-0,3%.

При работе конструкции в упругопластической области диаграмму работы стали Х - е можно упростить в сторону некоторого запаса и заменить идеализированной диаграммой упругопластического тела, совершенно упругого до предела текучести и совершенно пластичного после него (диаграмма Прандтля, рис.1.5.).

Рис.1.5. Идеализированная диаграмма работы стали

При сжатии коротких образцов, которые не могут потерять устойчивость, сталь ведет себя также как и при растяжении, т.е. предел пропорциональности, предел текучести и модуль упругости совпадают.

Однако разрушить при сжатии короткие образцы, изготовленные из пластической стали, и определить временное сопротивление не представляется возможным, поскольку образец сжимается и в конечном результате расплющивается. Высокопрочные стали, с пониженной пластичностью, могут разрушаться по наклонному сечению от среза.

Так как в упругой и упругопластической стадиях работы сталь ведет себя при растяжении и сжатии одинаково, то соответствующие характеристики принимаются также одинаковыми.

Повышенная несущая способность при сжатии некоторых образцов в области само упрочнения используется при работе стали на смятие.

При работе материала в упругой стадии повторное загружение не отражается на работе, поскольку упругие деформации обратимы.

При повторном нагружении металла в упругопластической области возникает наклеп. Увеличивается область упругой работы, а пластичность падает. Сталь становится более хрупкой.

Многократное повторное нагружение может привести к разрушению при меньших напряжениях, чем временное сопротивление и даже предел текучести. Это явление называется усталостью металла, а разрушение - усталостным.

Способность металла сопротивляться усталостному разрушению называется выносливостью, а напряжения, при которых происходит разрушение - вибрационной прочностью Хвб.

Усталостное разрушение происходит вследствие накопления числа дислокаций при каждом загружении и концентрации их около стыков зерен с последующим скоплением в большие группы, что приводит к рыхлению металла в этом месте и образованию трещин, которые развиваясь, приводят к разрыву. При каждом нагружении деформации в поврежденном месте нарастают. Линии разгрузки не совпадают с линиями нагрузки, образуя петли гистерезиса (см. рис.1.2,в). Площадь петли характеризует энергию, затраченную при каждом цикле нагрузки на образование новых несовершенств в атомной структуре и дислокаций там, где образуются трещины, металл как бы перетирается, образуя гладкие истертые поверхности, затем трещина быстро развивается и происходит разрыв.

Вибрационная прочность зависит от числа циклов загружения (рис.1.6.) и вида загружения.

При большом числе циклов кривая вибрационной прочности (кривая Вел Лера) асимметрически приближается к некоторому пределу, называемому пределом выносливости (усталости). Обычно проводят 2х106 циклов нагружения, чтобы определить выносливость, так как меньшее количество циклов мало отличается от предела усталости.

Алюминиевые сплавы не имеют предела усталости, и их вибрационная прочность при увеличении числа циклов постоянно снижается (см. рис.1.6).

Большое влияние на усталостную прочность оказывает концентрация напряжений. Так при круглом отверстии (кривая 3, рис. 1.7) предел упругости снижается в 1,4 раза, а при остром концентраторе (кривая 7) около начала флангового шва - в 3,5 раза.

Применение высокопрочных сталей в конструкциях, подвергающихся многократному воздействию повторных нагрузок, не всегда оправдывается по экономическим соображениям.

Значительное снижение усталостной прочности наблюдается даже при необработанных после огневой резки или гильотинных ножниц кромок деталей. Поэтому кромки следует обрабатывать механическим способом.

Особенно чувствительны к концентрации напряжений стали повышенной и высокой прочности.

Повысить усталостную прочность конструкции можно путем снижения концентрации напряжений (механическая обработка кромок, зачистка швов, обеспечение плавного изменения сечения и т. д.), создания в местах концентрации напряжений сжатия, например, с помощью нагрева мест концентрации, предварительной вытяжкой конструкций, обкаткой подкрановых балок кранами с допустимой перегрузкой и т. д.

Рис.1.6. Зависимость вибрационной прочности от числа циклов для стали (1) и алюминиевых сплавов (2)

Рис.1.7. Зависимость предела усталости от коэффициента

1 - сталь С255 с необработанной поверх- ностью, преобладает растяжение; 2 - то же, преобладает сжатие; 3 - сталь С255, полка с отверстием (преобладает растяжение); 4 - сталь С235 с необработанной поверхностью, преобладает растяжение; 5 - сталь С255, основной металл около сварного необработанного соединения встык; 6 - то же, для стали С345; 7 - сталь С 255, основной металл у начала флангового шва; 8 - то же, сталь С345

1. Развитие металлических конструкций, общая характеристика, область применения, достоинства и недостатки (стр.1-9).

2 . Как выбирают стали при проектировании? (9-10; 12-13).

3. Требуемые свойства металлов и их оценка (стр.10-11).

4. Классификация сталей (стр.11-12).

5. Какие факторы влияют на свойства стали? (стр.13-15).

6. Какие виды разрушения металла? (стр.15).

7. Как работает металл под нагрузкой при однократном нагружении?(стр.16-17)

8. Что такое усталость металла? Какие меры принимают для повышения усталостной прочности? (стр.18-19).

9. Что влияет на снижение усталостной прочности? (стр.19).

Раздел 2. Основы расчета металлических конструкций

2.1 Основные понятия и определения

Проектирование металлических конструкций - многоэтапный процесс, включающий в себя выбор конструктивной формы, расчет и разработку чертежей для изготовления и монтажа конструкций.

Целью расчета является строгое обоснование габаритов конструкции, ее размеров поперечных сечений и их соединений обеспечивающих условия эксплуатации в течение всего срока с необходимой надежностью и долговечностью при минимальных затратах материалов и труда на их создание и эксплуатацию. Эти требования часто противоречат друг другу (минимальный расход металла и надежность), поэтому реальное проектирование является процессом поиска конструктивного оптимального решения.

Расчет состоит из следующих этапов: установления расчетной схемы, сбор нагрузок, определения усилий в элементах конструкций, подбор сечений и проверка допустимости напряженно-деформированного состояния конструкций, ее элементов и соединений.

Ключевыми словами в расчетах металлических конструкций являются “предельные состояния”, “расчетная нагрузка”, “расчетное сопротивление”, “надежность”, “усталость”, “оптимальный параметр”, “конструктивное оптимальное решение” и т.д.

Уже отмечалось, что до 1951г. расчет металлических конструкций производился по допускаемым напряжениям с использованием единого коэффициента запаса. В 1951г. выходят новые строительные нормы и правила, основанные на методе предельных состояний, где вместо одного используются три коэффициента, обоснованные методами математической статистики.

Достоинством методики допустимых напряжений является простота, но эта методика недостаточно точно учитывает факторы, влияющие на работу конструкции. Вероятностные методы слишком сложны для повседневной инженерной практики. Применение их оправдано при проектировании уникальных, ответственных сооружений.

Поэтому оптимальной считается методика предельных состояний, которая проста и научно обоснована.

2.2 Основные положения расчета металлических конструкций

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

, (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 и нормативные , которые связаны между собой коэффициентом надежности по нагрузке , т.е. .

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

Для определения расчетной нагрузки задаются обеспеченностью , 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 .

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 , 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 , 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

АRn c /m = S (2.2)

где - число влияния, т.е. усилие в конструктивном элементе от единичной внешней нагрузки; - 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 и расчетного сопротивления , которые связаны между собой коэффициентом надежности по материалу соотношением . Нормативное сопротивление регламентируется СНиПом II-23-81* и соответствующими ГОСТами.

2.3 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 .

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 . При большем числе временных нагрузок, последние умножаются на коэффициент сочетаний .

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

2.4 Напряженное и деформированное состояние центрально нагруженных элементов

Учет сложного напряженного состояния при расчете металлических конструкций производится через расчетное сопротивление , которое устанавливается на основе испытаний металлических образцов при одноосном нагружении. Однако в реальных конструкциях материал, как правило, находится в сложном многокомпонентном напряженном состоянии. В связи с этим необходимо установить правило эквивалентности сложного напряженного состояния одноосному.

В качестве критерия эквивалентности принято использовать потенциальную энергию, накапливаемую в материале при его деформировании внешним воздействиям.

Для удобства анализа энергию деформации можно представить в виде суммы работ по изменению объема Ао и изменения формы тела Аф. Первая не превышает 13% полной работы при упругом деформировании и зависит от среднего нормального напряжения.

1 - 2х

Ao = ----------( ХЧ + ХУ + ХЖ )2 (2.3.)

6Е

Вторая работа связана со сдвигами в материале:

1 +

Аф = -------[(ХЧ2+ХХ2+ Хz2-(ХxХy+ХyХz+ХzХx) + 3 (фxy2+фyz2+ фzx2)] (2.4.)

3Е

Известно, что разрушение кристаллической структуры строительных сталей и алюминиевых сплавов связано со сдвиговыми явлениями в материале (движение дислокаций и пр.).

Работа формоизменения (2.4.) является инвариантом, поэтому при одноосном напряженном состоянии Х = Х имеем А1 =[(1 + ) / 3Е ] Х2

Приравнивая это значение выражению (2.4) и извлекая квадратный корень, получим:

Хпр==Х (2.5)

Это соотношение устанавливает энергетическую эквивалентность сложного напряженного состояния одноосному. Выражение в правой части иногда называют приведенным напряжением Хпр, имея в виду приведение к некоторому состоянию с одноосным напряжением Х .

Если предельно допустимое напряжение в металле (расчетное сопротивление) устанавливается по пределу текучести стандартного образца ХT, то выражение (2.5) принимает вид Хпр = ХT и представляет собой условие пластичности при сложном напряженном состоянии, т.е. условие перехода материала из упругого состояния в пластичное.

В стенках двутавровых балок вблизи приложения поперечной нагрузки

Хx 0 . Хy 0 . фxy 0 . остальными компонентами напряжений можно пренебречь. Тогда условие пластичности принимает вид

Хпр = = ХT (2.6)

В точках, удаленных от места приложения нагрузки, можно пренебречь также локальным напряжением Х y = 0, тогда условие пластичности еще более упростится: Хпр = = ХT .

При простом сдвиге из всех компонентов напряжений только

фxy 0 . тогда Хпр = = ХT . Отсюда

фxy= ХT / = 0,58 ХT (2.7)

В соответствии с этим выражением в СНиПе принято соотношение между расчетными сопротивлениями на сдвиг и растяжение ,

где - расчетное сопротивление сдвигу; - предел текучести.

Поведение под нагрузкой центрально растянутого элемента и центрально сжатого при условии обеспечения его устойчивости полностью соответствует работе материала при простом растяжении-сжатии (рис.1.1, б).

Предполагается, что напряжения в поперечном сечении этих элементов распределяются равномерно. Для обеспечения несущей способности таких элементов необходимо, чтобы напряжения от расчетных нагрузок в сечении с наименьшей площадью не превышали расчетного сопротивления.

Тогда неравенство первого предельного состояния (2.2) будет

, (2.8)

где - продольная сила в элементах; - площадь нетто поперечного сечения элемента; - расчетное сопротивление, принимаемое равным , если в элементе не допускается развитие пластических деформаций; если же пластические деформации допустимы, то равняется наибольшему из двух значений и (здесь и - расчетные сопротивления материала по пределу текучести и по временному сопротивлению соответственно); - коэффициент надежности по материалу при расчете конструкции по временному сопротивлению; - коэффициент условий работы.

Проверка по второму предельному состоянию сводится к ограничению удлинения (укорочения) стержня от нормативных нагрузок

Nn l / (E A ) ? (2.9)

где - продольная сила в стержне от нормативных нагрузок; - расчетная длина стержня, равная расстоянию меду точками приложения нагрузки к стержню; - модуль упругости; - площадь брутто поперечного сечения стержня; - предельная величина удлинения (укорочения).

2.5 Основы расчета изгибаемых элементов

Для изгибаемых элементов (балок), у которых пролет превышает высоту поперечного сечения (в 5 и более раз) изменение деформаций по высоте

сечения происходит по линейному закону, напряжения распределяются только до предела текучести ХT (рис.2.1).

Напряжения в точках, находящихся на расстоянии “y” от нейтральной оси, определяются по формуле Х = М y / Ix , где - изгибающий момент в рассматриваемом сечении балки; Ix - момент инерции сечения.

Максимальное напряжение возникает когда : Хmax. = М(h/2)/Ix. Отношение момента инерции Ix к расстоянию от нейтральной оси до крайней

Точки сечения называется моментом сопротивления Wx = Ix(2/h) , тогда Хmax = M/Wx..

Для проверки прочности изгибаемых элементов, работающих в пределах упругих деформаций, необходимо, чтобы максимальные нормальные и касательные напряжения в балке от расчетной нагрузки не превосходили соответствующих расчетных сопротивлений.

Рис.2.1. Изменение эпюры напряжений в изгибаемом элементе при развитии пластических деформаций в материале

; (2.10)

ф = Q S /I t? Rs c

где и - максимальный момент и поперечная сила в балке от расчетной нагрузки; - момент сопротивления нетто поперечного сечения балки, в случае несимметричного сечения балки выбирается Wnmin = Ix / y max; - статический момент сдвигающейся части сечения относительно нейтральной оси; I - момент инерции сечения балки; - толщина стенки.

По второму предельному состоянию наибольший прогиб балки от нагрузки при эксплуатации сравнивается с предельной величиной указанной в нормах, либо в задании на проектирование.

Величина прогиба зависит от расчетной схемы балки, а предельный прогиб - от назначения. Например, для главной балки рабочей площадки промздания, имеющей один пролет и шарнирные опоры, загруженной равномерно распределенной нагрузкой, проверка прогиба производится по формуле:

5

fmax = ----- (qn l4 / E I) ? l / 400 (2.11)

384

где - максимальный прогиб балки; - нормативная нагрузка на балку; - прогиб балки; E I- изгибная жесткость балки; 400 - норма прогиба балки.

Формула для проверки прочности изгибаемых элементов при наличии пластических деформаций (пластический шарнир) получается из выражения (2.10) путем замены на , т.е.

M / (c Wn) ? Ry гc или M / Wn ? cRy гc (2.12).

Сравнивая это выражение с (2.10) видим, что формально учет пластических деформаций сводится к повышению расчетного сопротивления умножением на величину “c”, коэффициент, характеризующий резерв несущей способности изгибаемого элемента, обусловленный пластической работой металла, и определенный по формуле для балок двутаврового сечения, как наиболее распространенного в изгибаемых элементах

, (2.13)

где - отношение площадей поперечного сечения пояса и стенки балки.

Для прокатных двутавров различных типов , чему соответствует значение с = 1,1 .

Для составных двутавров (рис.2.2,в). коэффициент“c” вычисляется по формуле (2.13).

Для прямоугольного сечения, когда площадь поясов балки можно приравнять к нулю - с = 1,5 (рис.2.2,б).

Устремляя площадь стенки к нулю (рис.2.2,е) из двутавра получаем расчетные сечения фермы или балки с гибкой стенкой, тогда с = 1.

Наибольшим пластическим резервом будет обладать балка с поперечным сечением (см. рис.2.2,а), для нее с = 2.

Практически выбор формы поперечного сечения изгибаемых элементов зависит от многих факторов, среди которых главным является расход металла, так как его стоимость составляет 80% общей стоимости конструкции.

Кроме нормальных напряжений Х в балках возникают и касательные напряжения фxy, зависящие от поперечной силы и локальных напряжений Хy в местах передачи на балку сосредоточенных нагрузок. Например, для балок, загруженных сосредоточенными силами по пролету (рис.2.3,а) определяющей

будет компонента Хx. При большей сосредоточенной нагрузке на балке с малым пролетом (рис.2.3,б) определяющим будет напряжение фxy.. Распределение Хпр по высоте балки в упругой стадии будет существенно отличаться от предыдущего случая, а при дальнейшем увеличении нагрузки вплоть до появления пластического шарнира (Хпр = ХT) обусловит более развитую пластическую область вблизи нейтральной оси.

Рис.2.2. Зависимость коэффициента “c” от формы поперечного сечения изгибаемого элемента

При рассмотренном многократном напряженном состоянии проверку прочности балки можно производить по формуле:

(2.14)

где 1,15 - коэффициент, учитывающий развитие пластических деформаций в балке [аналогично коэффициенту “c” в формуле (2.12)].

При изгибе относительно двух главных осей инерции поперечного сечения балки (x, y) - косом изгибе - допускается проверку прочности. производить по упрощенной формуле

Mx/(cxWx.n.min)+My/(cy Wy.n.min) ? Ry гc при ф? 0.5Rs (2.15)

где и даются в зависимости от формы сечения (см.прил.1);- зависит от величины .



Рис. 2.3. Распределение пластических деформаций в двутавровой балке при сложном напряженном состоянии.

2.6 Основы расчета центрально сжатых стержней

Исчерпание несущей способности длинных гибких стержней, работающих на осевое сжатие, происходит от потери устойчивости (рис.2.4,а).

Поведение стержня под нагрузкой характеризуется графиком (рис.2.4,б), где вначале с ростом нагрузки стержень сохраняет прямолинейную форму, с дальнейшим ростом нагрузки, когда стержень теряет свою устойчивость и начинает выпучиваться. Последующий (небольшой) рост внешней нагрузки сопровождается быстрым увеличением поперечного прогиба f. После достижения максимальной нагрузки - второй критической силы - стержень теряет несущую способность (неустойчивое состояние).

Устойчивое состояние может быть при и (точки 1 и 2). Однако при стержень может находиться в устойчивом состоянии (точка 2) и неустойчивом (точка 3) при одинаковой сжимающей силе.

Критическое состояние может быть при и при (точки и ).

Соответствующее критическое напряжение будет

Ncr1 р2ЕІ р2ЕЯ2 р2Е

Хсr =-------- = ----- -- = --------- = ------- (2.16)

A lo2 A lo2 л2

где - критическая сила равная р2ЕI /lo2 (формула Эйлера); - площадь поперечного сечения стержня; заменяя I / A получаем i = - радиус инерции; - гибкость стержня; - расчетная длина стержня; - коэффициент приведения, зависящий от способа закрепления концов стержня.

Рис.2.4. Работа центрально-сжатого стержня:

а - расчетная схема; б - зависимость между нагрузкой и прогибом стержня

Формула справедлива при постоянном , т.е. при напряжениях , при этом . Напряжения - предел пропорциональности.

На практике гибкость центрально сжатых стержней (колонн, элементов ферм, рам и т.д.) составляет примерно половину указанных предельных.

На рис.2.5 показано влияние сечения стержня на критические напряжения. Из приведенных данных видно, что кривые для различных сечений и

Разной ориентации осей будут разными. Кривая для двутавра по рис.2.5,а располагается левее, а по рис.2.5,б - правее кривой, соответствующей прямоугольному сечению (рис.2.5,в).

В приведенной классической схеме, в которой предполагается, что в момент потери устойчивости нагрузка остается постоянной, тогда на выпуклой стороне стержня происходит разгрузка и материал начинает работать по упругому закону. Однако, если деформация сжатия в процессе продольного изгиба растет или остается постоянной в каждой точке сечения стержня, т.е. разгрузки не происходит, то все сечение находится в пластическом состоянии, характеризуемом касательным модулем деформации .

Рис.2.5. Влияние формы поперечного сечения стержня на критические напряжения

а - потеря устойчивости двутаврового стержня в плоскости стенки; б - то же, в плоскости полок; в - зависимость критических напряжений от гибкости

В этом случае критическое напряжение в пластической области будет

(2.17)

В строительных конструкциях встречаются обе схемы работы сжатых стержней. Например, сжатые элементы статически неопределимых систем (ферм, рам) теряют устойчивость по классической схеме - с разгрузкой. В момент потери устойчивости происходит перераспределение усилий между элементами. В колоннах, работающих по статически определимой схеме, будет реализовываться вторая схема - без разгрузки.

До сих пор рассматривался идеально прямой стержень с нагрузкой, приложенной строго по оси. Однако в практике такого не существует. Конструктивное оформление концов сжатых стержней не обеспечивает идеальную центровку, поэтому эти факторы учитываются введением в расчет эквивалентного эксцентриситета сжимающей силы “”. Он зависит от гибкости и с ростом ее возрастает. В практических расчетах пользуются , т.е. со случайным эксцентриситетом. Тогда