Важное профессиональное примечание: Это архивный учебный текст, а не действующая спецификация конструкции, статический расчет, доказательство несущей способности или инструкции по изготовлению и сборке. Проектирование стальных конструкций должно включать фактические действия, соединения, устойчивость, усталость, пожар, коррозию и все другие соответствующие условия в соответствии с действующими правилами и стандартами под ответственность уполномоченного проектировщика.

Проектирование и строительство стальных конструкций не является частью текущего публичного предложения Саво Кусича. Сегодняшний фокус производства состоит из деревянных окон, деревянно-алюминиевых окон и дверей на заказ.

Стальные конструкции имеют общую особенность: они в основном изготавливаются из горячекатаной стали. Соединение осуществляется с помощью заклепок, шурупов или сварки. Сюда входят стальные конструкции для мостов, зданий, промышленности и горнодобывающей промышленности, гидротехники, опор, башен, резервуаров, в более широком смысле, а также для кранов, судостроения, котлов и т. д. В центре внимания следующих презентаций - рассмотрение основных понятий.

Материалы

Основным конструкционным материалом металлоконструкций являются прокатные профили из конструкционной стали S235, S275, S355, S420, S450. В зависимости от стандарта существует несколько различных типов строительной стали, где число в классификации обычно указывает на предел прочности стали. Существует несколько буквенных символов, где в данном случае S означает конструкционную сталь. Наиболее распространенными формами являются S, B (бетонные стали, арматура) и Y (предварительно напряженная сталь).

Стальные катаные опоры

Существует широкий ассортимент стальных профилированных опор и каждая имеет свое назначение, преимущества и недостатки.

  • U-профили
  • Двутавровые профили на узких ножках (IPE, IPN)
  • Двутавровые профили с широкими ножками (HEA, HEB, HEM, HD)
  • Полые профили/коробки (круглые, квадратные, прямоугольные)
  • Листы
  • Холодногнутая продукция (полученная путем холодной прокатки плоской полосы и скручивания плоской полосы)

Каждый из этих профилей отличается формой, размерами, назначением и т. д. Например, существует более 20 различных профилей IPN, которые различаются размерами; профили большего размера лучше противостоят короблению (изгибному и поперечно-крутильному), прогибам и т. д.

Различают четыре класса стали в зависимости от того, достигают ли они предела текучести при увеличении напряжения, является ли анализ пластичным или упругим, какова несущая способность сечения и т. д., где первый класс является лучшим, а четвертый - худшим. Подробнее о структуре и прочности стали можно прочитать здесь.

Выравнивание напряжения и пропускная способность при постоянной нагрузке

Несущая способность. Размеры стальных конструкций определяются таким образом, чтобы исключить значительные остаточные деформации. Несущая способность, однако, во многих случаях никак не исчерпывается, когда наибольшее сравнительное напряжение достигает предела текучести — тогда деформации растут гораздо быстрее, чем напряжения. Для конструкционной стали за предел закона Гука для общих напряженных условий можно принять ту же зависимость, что и при текучести. В случае однородных напряженных состояний, одинаковых во всех местах, при превышении предела пропорциональности никаких изменений не происходит, за исключением того, что общие деформации растут быстрее напряжения.

Выравнивание напряжений при изгибе. В случае изгиба балки применяется прямолинейное распределение напряжений согласно гипотезе Навье до тех пор, пока краевое напряжение σ=M/W не превысит предела пропорциональности. Продольные расширения ε = ε(σ). Это справедливо, по крайней мере, для небольших изгибов. Напряжения, превышающие напряжение пропорциональности, могут расти только медленнее, чем расширения ε. На рис. 1 показывает распределение изгибающих напряжений для данной рабочей схемы и для различных значений расширения кромки. Поэтому область пропорциональности (отмеченная кружком на всех линиях напряжения) становится все меньше и меньше с увеличением расширения края. Краевое напряжение сначала ограничивается σF. Только после очень значительных деформаций максимальное напряжение превышает σF, так что влияние арматуры из конструкционной стали становится видимым (случай 5).

Распределение изгибающих напряжений при различных расширениях кромок

Рис. 1 - Выравнивание изгибающего напряжения

Выравнивание пиков напряжений. Распределение продольных напряжений по сечению через середину отверстия в одном натянутом бурильном стержне примерно соответствует линии 2 на рис. 2. Пик напряжения σmax зависит от соотношения d/b. Чаще всего оно составляет около σmax = 2-3 σm, где σm = S/FM обозначает среднее значение растягивающего напряжения в сечении, ослабленном отверстием в FM. Сл. 2 действует до тех пор, пока состояние напряжения не превысит P-предел. При более высоких нагрузках для достижения определенного расширения нужны меньшие напряжения только вблизи отверстия, чем по прямолинейному закону. В наиболее напряженных точках напряжения будут увеличиваться не пропорционально S, а медленнее. На границе будет получено примерно равномерное распределение продольных напряжений σm = σf по всему сечению 2-2. Касательными и поперечными напряжениями пренебрегали. Возникновение выравнивания напряжений при медленном увеличении силы S в стержне доказывает, что оправдан обычный метод для стальных конструкций, находящихся под действием статической нагрузки, - игнорировать пики напряжений при определении размеров и сравнивать только среднее напряжение σm=S/Fm в ослабленном сечении Fm с допустимым значением.

Распределение напряжений вокруг отверстия в натянутом стальном стержне

Рис. 2

Порядок определения размеров в зависимости от грузоподъемности

При увеличении нагрузки происходит выравнивание напряжения на секции. При этом напряжения перегруппировываются от наиболее напряженных частей сечения к менее напряженным. Пока деформации не настолько велики, чтобы их приходилось учитывать при задании условий равновесия, этот процесс не может ничего изменить в величине влияния S, M и т. д. для статически определенных конструкций.

Сплошные и рамные опоры: в предположении закона Гука линия момента, показанная под a, получена для одной сплошной опоры постоянного сечения (рис. 3). Изгибающие напряжения пропорциональны изгибающим моментам M. Если обе нагрузки возрастают одинаково, предел P сначала будет превышен на средней опоре B. Предел несущей способности достигается, когда также достигается предельный момент MDF в поле. В случае балки, зажатой по обе стороны постоянного симметричного сечения сосредоточенной силой (рис. 4), выравнивание моментов существует изначально. При превышении P-предела распределение момента не меняется. Напротив, в случае равнораспределенной нагрузки (рис. 5) выравнивание моментов приводит к уменьшению защемляющего момента с -2/3 Mo до -1/2 Mo.

Схема двойной зажатой балки с сосредоточенной силой

Рис. 4

Моментные линии до и после перераспределения момента

Рис. 3 и тому подобное. 5 соответственно: изгибающие моменты: а) до, б) предельное состояние после перегруппировки сил; а) до, б) после выравнивания момента

Решетчатые конструкции: с внутренне статически неопределимыми фермами наблюдаются такие же зависимости, как и с рамными конструкциями. Вторичными напряжениями, связанными с жесткими при изгибе узлами, при оценке несущей способности в первом приближении можно пренебречь. Пластифицированные профили действуют аналогично соединениям, так что статическое действие балки при предельной нагрузке, которую она все еще может выдерживать, ближе к действию идеальной фермы с соединениями в узлах. Поэтому в случае конструкций с часто повторяющимися нагрузками, в которых следует учитывать явления усталостной прочности, возникают значительные сомнения против учета уравнивания сил при расчете размеров. Напротив, имеет практическое значение сделать вывод о влиянии смещения опор. Поскольку рабочая прочность отдельных элементов конструкции зависит только от пределов напряжений, а не от величины суммарных деформаций, перемещения опор не оказывают влияния на несущую способность.

Переменная нагрузка: предположение о постоянной нагрузке реализуется редко. У мостовых балок существуют состояния переменной нагрузки. В практической работе со стальными конструкциями распространены допущения о распределении усилий и напряжений в отдельных элементах конструкций, которые упрощают, согласно предыдущему, они оправданы в обычных обстоятельствах. Особенно это касается пренебрежения локальными пиками напряжения. Не рекомендуется применять метод определения размеров по несущей способности при (динамическом) усталостном нагружении. Таким образом, процедура определения размеров в зависимости от несущей способности ограничивается случаем преимущественно статических нагрузок, особенно для конструкций в строительной отрасли. В остальных случаях, когда следует обратить внимание на появление усталости, придется исключить значительные деформации и взять за основу теорию упругости. При этом следует стремиться к достаточно большому расстоянию от предела текучести. Прочность строительной стали обеспечивает дополнительную безопасность.

Переменное напряжение

Холодное растяжение и старение: На рис. 6 наносилась линия растяжения-расширения круглого стержня, подвергавшегося переменному растягивающему и сжимающему напряжениям. Отдельные процессы загрузки отмечены цифрами в соответствии с их порядком. Упругие расширения, которые возвращаются после разгрузки, также возникают после больших растяжений, пропорциональных напряжениям. При смене знака напряжения П-предел практически полностью исчезает. Поэтому упругие свойства конструкционной стали, вытянутой в холодном состоянии, не соответствуют исходным значениям. В зависимости от предыдущей обработки могут быть показаны весьма существенные различия.

Линия растяжения-расширения при знакопеременном нагружении стального стержня

Рис. 6

Вместе с этим появляется больше признаков старения. К этому термину относятся все изменения свойств, происходящие с течением времени без внешнего воздействия. Старение при растяжении можно наблюдать после остаточной деформации путем холодного растяжения. Если постоянно растянутые испытуемые образцы оставить на некоторое время без нагрузки при комнатной температуре, предел прочности при растяжении и, в меньшей степени, прочность на раздир поднимаются выше исходного значения, а удлинение при разрыве уменьшается (рис. 7). Процесс старения длится несколько дней, но сокращается до нескольких часов или минут, если конструкционную сталь нагреть примерно до 300 oC. Также следует отметить, что старение при растяжении происходит одновременно с растяжением, если оно происходит при темп. 200 – 400 oC, т.е. в области синего свечения.

Сравнение расширения перегруженного и холодного растянутого стержня

Рис. 7 - а) линия расширения двунагруженного стержня; б) линия расширения стержня, растянутого в холодном состоянии

Последующее воздействие и гистерезис: В полностью упругом материале существует однозначная взаимная зависимость между напряженным и деформированным состоянием, так что определенным напряжениям всегда соответствуют одни и те же деформации, и наоборот. При заданном законе упругости деформации не зависят от времени, прошедшего с момента приложения нагрузки, а также от способа приложения нагрузки. Отклонения от чисто упругого поведения можно описать в двух степенях приближения: в упругой области — малые отклонения; их можно не учитывать в первом приближении. Их можно определить путем точных измерений, особенно при сравнении напряжений, близких к пределу упругости. А именно, дилатация является не только функцией напряжения, но при замкнутом цикле нагрузки и одном и том же напряжении при разгрузке она всегда несколько меньше, чем при нагружении. Отклонение от полной эластичности, т.е. разница между соответствующими расширениями при одинаковых напряжениях называется упругим гистерезисом. Если цикл нагрузки повторяется чаще, это получается при не слишком высоких напряжениях – замкнутый контур гистерезиса или демпфирования. Сл. 8 показывает контуры демпфирования для различных значений нагрузки переменного тока. Ширина петель сильно увеличивается с высотой напряжения. Площадь петли пропорциональна работе деформации, которая теряется при каждом цикле и превращается в тепло. Также деформации изменяются не только по высоте напряжения, но и во времени, они зависят от скорости и способа нагружения. Часть деформации, зависящая от времени, называется последействием. Гистерезис и последействие возникают одновременно. Как правило, они не имеют практического значения для тех видов конструкционных сталей, которые встречаются в стальных конструкциях при комнатной температуре.

Петли гистерезиса при различных уровнях переменной нагрузки

Сл. 8

Примечание по применению: Исторические обозначения материалов, предположения, диаграммы и процедуры в тексте не должны использоваться в качестве замены действующих стандартов, конкретных характеристик продукта, модели расчета и экспертной проверки всей конструкции.