НОРМАТИВНЫЕ И РАСЧЕТНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ СТАЛИ.

СТРОИТЕЛЬНЫЕ СТАЛИ

Нормативные сопротивления стали при растяжении и сжатии определяются по результатам испытаний стандартных образцов на растяжение по пределам текучести и по пределу прочности – для элементов, которые работают только на растяжение.

За нормативное сопротивление по пределу текучести принимается браковочный минимум предела текучести, физического или условного, определяемый с надежностью 95 % и устанавливаемый Государственными стандартами и Техническими условиями. Аналогично за нормативное сопротивление по пределу прочности принимается браковочный минимум предела прочности, определяемый с надежностью 95 %, устанавливаемый Государственными стандартами и Техническими условиями. Поскольку надежность нормативных сопротивлений недостаточна для расчетов по предельным состояниям 1-й группы, вводятся расчетные характеристики, надежность которых приближается к 100 %:

где – расчетные сопротивления по пределам текучести и прочности, соответственно, – коэффициенты надежности по материалу [1, табл. 2]. Так как технология изготовления стальных элементов достаточно отработана, коэффициенты близки к 1. Расчетное сопротивление по пределу прочности используется только при расчете растянутых элементов и растянутых зон в тех случаях, когда эксплуатация возможна и после достижения в элементе или зоне предела текучести.

Готовые нормативные и расчетные сопротивления для разных сталей при растяжении, сжатии и изгибе в зависимости от формы сечения и толщины проката приводятся в [1, табл. 51, 51, а]. Некоторое понижение прочностных характеристик в более толстых сечениях объясняется меньшим сдавливанием их при прокате и более медленным остыванием.

Расчетные сопротивления при других напряжениях приведены там же [1, табл. 1]. Например, расчетное сопротивление на сдвиг: , смятие торцевой поверхности (при наличии пригонки): ( срез, давить) и т. п.

Нормативные и расчетные сопротивления при растяжении, сжатии и изгибе листового, широокополосного и фасонного проката нормируются ГОСТ 27772-88 для стальных конструкций зданий и сооружений и приводятся в [1, табл. 51]. Маркировка строительных сталей начинается с литеры “С” – строительная. Далее указывается браковочный минимум предела текучести в МПа с надежностью 95 % ( , кроме самой прочной стали С590) для самой тонкой из нормируемых сталей. Стандартный ряд строительных сталей по прочности: С235, С245, С255, С275, С285, С345, С375, С390, С440 и С590. Дополнительные символы обозначают: “T” – термоупрочненная; “Д” – повышенное содержание меди; “К” – стойкая против коррозии.

Соответствующие строительным сталям традиционные марки сталей приводятся в [1, табл. 51,б].

Контрольные вопросы

1. Как влияет содержание углерода на свойства стали?

2. Как влияет на механические характеристики стали размер зерна?

3. Какие вы знаете вредные примеси в стали и как они влияют на ее свойства?

4. Чем и с какой целью раскисляют сталь?

5. Для чего легируют сталь?

6. Какие вы знаете легирующие добавки и как они влияют на свойства стали?

7. Как влияет легирование на свариваемость стали?

8. Какие механические характеристики стали вы знаете? Какие свойства стали они характеризуют?

9. В чем разница между физическим и условным пределами текучести?

10. Что такое термоупрочнение стали?

11. Когда можно использовать расчетные сопротивления, определенные по пределу прочности?

Лекция 3

РАБОТА СТАЛИ В КОНСТРУКЦИЯХ

План лекции:

1. Виды напряжений в стальных конструкциях.

2. Работа стали при повторных нагрузках.

3. Хрупкое разрушение стальных конструкций.

4. Ударная вязкость.

5. Выбор строительной стали.

Рис. 4. Расчетные схемы ферм:

1 – идеализированная; 2 – реальная

Причиной появления дополнительных напряжений могут быть и другие, обычно не учитываемые в расчетах связи.

3.Местные, или локальные, напряжения возникают в местах: 1) изменения сечения элементов, 2) приложения на небольшой длине больших сосредоточенных нагрузок. Действуя на небольшой длине, они не сказываются на общих деформациях конструкций. Они приводят к появлению плоского напряженного состояния. Это увеличивает опасность

Рис. 5. Эпюры напряжений от ослабления сечения круглым отверстием

Местные напряжения первого рода – концентрация напряжений – приводят к искажению силового потока, являются внутренне уравновешенными и быстро уменьшаются по мере удаления от концентратора (рис. 5). Величина локальных (пиковых) напряжений зависит от того, как резко меняется сечение в месте его изменения и характеризуется коэффициентом концентрации напряжений

где максимальное (пиковое) напряжение в месте концентрации; среднее напряжение, подсчитанное по ослабленному сечению.

Рис. 6. Местные напряжения от сосредоточенной нагрузки

Теоретически напряжение по краю трещины при упругой работе материала стремится к бесконечности, реально доходит до 9. За счет пластичности материала напряжения быстро выравниваются. Напряжение при нормальной температуре и статической нагрузке на несущую способность заметно не сказывается и в расчетах не учитывается. Однако при пониженных температурах и при динамических, циклических нагрузках может быть причиной хрупкого разрушения. Мероприятия по предотвращению этого – подбор стали в соответствии с условиями работы и снижение концентрации напряжений плавным изменением сечения.

Местные напряжения второго рода уравновешивают внешние воздействия. Могут привести к плоскому напряженному состоянию – сжатию или растяжению в двух направлениях и, как следствие, – трещине или потере местной устойчивости в тонких элементах. Местные напряжения этого вида учитываются в расчетах, возможно также местное усиление конструкций (ребра жесткости, увеличение толщины элементов и т.п.)

4.Начальные напряжения, имеющиеся в элементах стальных конструкций до их загружения, связаны, как правило, с нагреванием металла при изготовлении проката или сварке и неравномерным его остыванием. Например, в прокатных двутаврах полки всегда значительно толще стенки, поэтому они остывают значительно медленнее ее. Поэтому последняя раньше переходит через температуру 500¸600 ^оС и в ней появляется модуль упругости Е > 0, тогда как в рядом расположенных полках Е = 0, и они способны пластически деформироваться без появления в них каких-либо напряжений. Позже полки также переходят через этот интервал и, остывая дальше, будут, работая вместе со стенкой, натягиваться, опираясь на стенку и сжимая ее при этом.

Рис. 7. Начальные напряжения в двутавре

Начальные напряжения самоуравновешиваются в конструкциях. Cкладываясь с основными, они могут ускорять или замедлять переход в пластическую стадию работы отдельных частей сечения, увеличивать деформации и через них влиять на устойчивость, но на несущую способность влияют слабо. Образуя плоское или объемное напряженное состояние, начальные напряжения могут способствовать хрупкому разрушению. Борьба с начальными напряжениями ведется технологическими мерами – уменьшением разности температур между отдельными частями конструкций при остывании.

Иногда начальные напряжения создаются искусственно в процессе изготовления или монтажа конструкций для повышения их эффективности – в этом случае их называют предварительными и учитывают в расчетах как основные.