Следует отметить, что алюминиевые 6,кН/см сплавы не имеют предела усталости, и их 30 вибрационная прочность при увеличении числа циклов постоянно снижается (см. рис. 1.23).
При изменении коэффициента асимметрии цикла от +1 (постоянная нагрузка) до -1 (полный симметричный цикл) усталостная прочность падает (рис. 1.25). Для низкоуглеродистой стали при = О предел усталости равен пределу текучести, а при = -1 составляет примерно 0,6ёу. На предел выносливости влияет и вид напряжений: при преобладании сжатия он выше.
Для низколегированных сталей (С345-С390) предел усталости приближается к пределу текучести при Ji = » 0,25, а при полном симметричном цикле составляет 0,5 S у, т.е. относительная усталостная прочность (Ъ уст/ ё у) с повышением прочности стали снижается.
У сталей высокой прочности (С440 и С540) предел выносливости практически не отличается от предела выносливости сталей повышенной прочности. Поэтому применение высокопрочных сталей в конструкциях, подвергающихся воздействию многократно повторных нагрузок, по экономическим соображениям не всегда оправданно.
Большое влияние на усталостную прочность оказывает концентрация напряжений. Чем острее концентратор, тем ниже усталостная прочность. Отношение предела выносливости гладкого образца Ь уст к пределу выносливости образца с концентратором ё уст при полном симметричном цикле называется эффективным коэффициентом концентрации j3 = ё уст/ уст, который всеща больше единицы.
Так, при круглом отверстии в образце (кривая 3 рис. 1.25) предел усталости снижается в 1,4 раза, а при остром концентраторе (кривая 7) (около начала флангового шва) - в 3,5 раза.
Значительное снижение усталостной прочности наблюдается даже при необработанных после огневой резки или гильотинных ножниц кромок деталей. Поэтому в конструкциях, в которых может возникнуть усталостное разрушение, следует обрабатывать кромки механическим способом.
Особенно чувствительны к концентрации напряжений стали повышенной и высокой прочности. Коэффициент Ji для них ниже, чем для низкоуглеродистой стали.
Концентрация напряжений зависит от конструктивной формы элементов и узлов, поэтому для учета влияния концентрации напряжений на выносливость металлических конструкций в нормах проектирования все элементы и соединения разделены на 8 групп (см. п. 2.1.10).
•1 -Ц75-0,5-0125 О 0,25 Ц5 0,75 1 fi
Рис. 1.25. Зависимость предела усталости от коэффициента / - сталь С255 с необработанной поверхностью, 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 С255, основной металл у начала флангового шва; 8 - то же, сталь С345
ii Зак. 17
ГЛАВА 2. ОСНОВЫ РАСЧЕТА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ
2.1. Основные понятия и определения
Проектирование металлических конструкций представляет собой многоэтапный процесс, включающий в себя выбор конструктивной формы, расчет и разработку чертежей для изготовления и монтажа конструкций.
Целью расчета - второго основного этапа проектирования металлических конструкций - является строгое обоснование габаритов конструкций, а также размеров поперечных сечений элементов и их соединений, обеспечивающих заданные 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 (например, минимальный расход металла и надежность), поэтому реальное проектирование является процессом поиска оптимального конструктивного решения.
Расчет обычно состоит из следующих этапов: установление расчетной схемы, сбор нагрузок, определение усилий в элементах конструкций, подбор сечений и проверка допустимости напряженно-деформированного состояния конструкции в целом, ее элементов и соединений.
Методы определения усилий в строительных конструкциях изучаются в рамках таких дисциплин, как строительная механика, сопротивление материалов, теория упругости и пластичности. Остальные этапы расчета входят в курс металлических конструкций.
В информатике используются так называемые ключевые слова, с помощью которых можно предельно кратко охарактеризовать представленную
Обычно усталость наблюдается в конструкциях, испытывающих миллионы циклов нагружения. Это явление называют многоцикловой усталостью.
Если циклические напряжения превышают предел текучести, то разрушение может произойти и при числе циклов порядка нескольких тысяч. Такое разрушение называют малоцикловой усталостью. Оно характерно для листовых конструкций резервуаров, газгольдеров, воздухонагревателей, испытывающих периодическое нагружение при заполнении и разгрузку при опорожнении или снятии внутреннего давления.
Механизм малоцикловой усталости связан с накоплением от цикла к циклу пластических деформаций, и разрушение может носить как квазистатический характер с образованием шейки в месте разрыва (при числе циклов до 10 ООО), так и усталостный, без образования шейки с хрупким изломом.
Повысить усталостную прочность конструкций можно путем снижения концентрации напряжений (механическая обработка кромок, зачистка швов, обеспечение плавного изменения сечений и т.д.), создания в местах концентрации напряжений сжатия, например, с помощью нагрева мест концентрации, предварительной вытяжкой конструкций, например обкаткой подкрановых балок кранами с допустимой перегрузкой и т.д.
информацию. Ключевыми словами строительной механики являются "метод сил", "метод перемещений", "метод конечного элемента", "основная система", "уравнения равновесия" и т.д. В расчетах металлических конструкций к ключевым относятся слова "предельные состояния", "расчетная нагрузка", "расчетное сопротивление", "надежность", "усталость", "оптимальный параметр", "оптимальное конструктивное решение" и т.д....
Главная особенность расчетов строительных конструкций заключается в необходимости учета изменчивости внешних воздействий, разброса прочностных характеристик материала и особенностей работы металла в конкретных условиях. Внешние воздействия здесь понимаются в широком смысле. Это могут быть силовые воздействия технологического и атмосферного происхождения, химическое воздействие, вызывающее коррозию металла, температурное воздействие, влияющее на его прочностные свойства, смещения опор и т.д.
В зависимости от способа учета изменчивости указанных параметров развивалась методика расчета металлических конструкций. До 1951 г. в нашей стране металлические конструкции рассчитывались по методике допускаемых напряжений, в которой использовался единый коэффициент запаса, учитывающий изменчивость названных параметров. В 1951 г. были выпущены новые строительные нормы и правила, основанные на методике предельных состояний, где вместо одного используются три основных коэффициента, значения которых обоснованы методами математической статистики. Параллельно развивались вероятностные методы расчета строительных конструкций, в которых основные параметры расчета (нагрузки, прочность материала, геометрические размеры конструкций) рассматриваются как случайные величины и представлены соответствующими функциями статистического распределения.
Достоинством методики допускаемых 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, особо ответственных сооружений.
В настоящее время оптимальной считается методика предельных состояний, отличающаяся как простотой использования, так и научной обоснованностью.
2.2. Основные положения расчета металлических конструкций
2.2.1. Методика расчета конструкций по предельным состояниям. Предельным называется состояние конструкции, при котором она перестает удовлетворять эксплуатационным требованиям. Эти требования неравноценны по своему значению. Например, нельзя допускать глобальное разрушение конструкции, но нельзя также допускать и чрезмерные ее перемещения, затрудняющие нормальную эксплуатацию конструкции. Первое требование абсолютно, так как при его нарушении конструкция перестает существовать, превращаясь в металлолом. Второе требование менее категорично, так как касается только режима эксплуатации конструкции, которым можно управлять.
