Файл: Брудка Я. Легкие стальные конструкции.pdf

дежности конструкций на основе статических расчетов или эксперимен­ тальных испытаний.

В настоящее время, рассчитывая элементы конструкций из гнутых профилей, не следует использовать методы, основанные на инженерной теории пластичности. Несмотря на существование ряда теоретических и экспериментальных работ в этой области, еще нет удовлетворительных решений, позволяющих применять эти методы. Во многих случаях мест­ ное выпучивание или изменение формы профиля препятствует созданию пластических шарниров. Частичная пластическая деформация профилей установлена только в немногочисленных случаях. Она учитывается в со­ единениях (узлах и стыках), где обеспечено правильное разделение сил на их составные части, как в конструкциях из горячекатаных профилей.

Допускаемые и предельные напряжения для изделий из стали марок StOS, St3 и 18G2 необходимо принимать по нормам PN-62/B-03200 или по проекту норм PN/B-03202. Эти напряжения приведены также и в табл. 2-3. Допускаемые и предельные напряжения при эксперименталь­ ном определении предела текучести материала исходной ленты, матери­ ала плоских стенок готового профиля или вообще готового профиля устанавливают при условии принятия коэффициента надежности, не боль­ шего, чем для стали марки St3S, или коэффициента однородности, не меньшего для той же стали, определенного на основе норм PN-62/B-03200. Значения этих коэффициентов можно также брать из табл. 2-3.

5.3.2. Экспериментальная проверка

Экспериментальная проверка несущей способности, прогибов и изме­ нений формы легких элементов должна проводиться в следующих слу­ чаях:

а) когда данная система строительства применяется впервые, проек­ тировщик и изготовитель конструкций не имеют большой практики в этой области или когда нет подобных образцов среди других уже гото­ вых объектов;

б) когда имеющиеся теоретические положения и основанные на них способы расчета недостаточно отражают возможности разрушения кон­ струкций, а их применение может привести к снижению коэффициента надежности готового объекта. Поэтому необходимо определение коррек­ тирующих коэффициентов;

в) при отсутствии достаточно надежных способов расчета.

В зависимости от этих трех случаев круг экспериментов и методика их проведения могут быть различны. При их определении следует руко­ водствоваться общими, приводимыми ниже принципами. Выводы, сде­ ланные на основании проведенных экспериментов, могут относиться к та­ ким же элементам, которые подвергались испытаниям. В случае прове­ дения экспериментов, выясняющих условия, описанные в пп. «б» или «в», одинаковыми должны быть вид и качество материалов, размеры, спосо­ бы изготовления элементов, соединения и нагрузки, условия соединения исследуемого элемента с остальной частью несущей системы.

101

Экспериментальная проверка эксплуатационной пригодности легкого элемента рекомендуется особенно в тех случаях, когда проектируемое решение намечается использовать как типовое, а его изготовление будет серийным. Тогда экспериментальная проверка дает основу не только для контроля надежности конструкции, но чаще всего и основу для достиже­ ния экономии материала или затрат на производство.

Ниже приводятся общие принципы проведения испытаний:

1. Испытания под нагрузкой проводят на трех одинаковых элемен­ тах, каждый из которых должен иметь условия опирания, верно отража-

ющие условия, характерные для системы, предусмотренной в готовом объекте.

2. Расположение нагрузок на каждом испытываемом образце должно отражать условия, которые будут существовать в реальных системах при постоянных и переменных нагрузках. Расположение нагрузок не должно ограничивать возможности возникновения изменений формы профиля испытываемых элементов или приводить к повышению либо пони­ жению несущей способности вследствие изменения линии действия внеш­ них сил. В качестве примера неправильного воспроизведения приложения нагрузок приводятся способы воздействия сил (рис. 5-1).

3.Нагрузки должны иметь направления действия, предусмотренные для готовой конструкции. Если направления всех нагрузок не совпадают друг с другом, то экспериментальные нагрузки должны возрастать с со­ хранением соответствующих пропорций.

4.Деформации, возникающие при различной степени нагрузки, сле­ дует замерять в нескольких точках, характерных для данной конструк­

ции. Располагать точки замера надо так, чтобы исключались влияние оседания опор или упругих прогибов и деформация стенок. Замер произ­ водится только после стабилизации испытываемой деформации.

5. С того момента, когда деформации перестают быть пропорциональ­ ными нагрузкам, измеряют остаточные деформации под действием не­ скольких последовательных разгрузок и новых нагрузок. Остаточная деформация не должна превышать 25% деформации, измеряемой при данной нагрузке.

102

6. Испытание считается законченным, если происходит хрупкое разру­ шение материала или быстрое, чрезмерное нарастание деформации.

7.Предельная нагрузка на образец определяется при составлении такого же графика нагрузка — деформации, как и для нормативного испытания на растяжение (рис. 5-2). Как правило, этот график склады­ вается из отрезков прямых линий, соединенных кривыми. В качестве пре­ дельной нагрузки РПр принимается точка пересечения двух прямых, со­ ответствующих упругой и пластической стадиям работы материала.

8.Предельные нагрузки на испытываемые элементы рассчитываются как средняя арифметическая трех испытаний. При оценке надежности конструкции она играет ту же роль, что и предел текучести в теоретиче­

ских расчетах. Средняя величина должна корректироваться в зависимо­ сти от действительной толщины металла, использованного для экспери­ ментальных элементов, и его предела текучести. Если разрушение происходит вследствие потери местной устойчивости или искажения про­ филя, то несущая способность пропорциональна квадрату толщины стенки. В других случаях несущая способность пропорциональна тол­ щине. Если введенная таким образом поправка превышает 10% средней величины без корректировки, рекомендуется снова провести испытания на элементах с сечениями, близкими номинальному.

9. Предел текучести использованной стали испытывается на норма­ тивных образцах при растяжении. Образец можно брать из элемента после проведения эксперимента, но с такого места, где не произошла пла­ стическая деформация материала во время испытания.

Техническая пригодность испытываемого элемента определяется с учетом прочности или деформативности конструкции. Если деформативность конструкции мала, допускаемую нагрузку исследуемого элемента можно получить путем деления его средней предельной нагрузки на ко­ эффициент надежности. Если необходимо ограничить деформируемость конструкции (например, прогибы должны быть меньше допускаемых), для каждого из трех исследуемых элементов определяют нагрузку, со­ ответствующую допускаемой деформации, и определяют среднюю вели­ чину. Эта величина также должна быть скорректирована в зависимости от факторов, упомянутых в п. 3. Полученную таким образом нагрузку принимают в качестве допускаемой при условии, что ее величина мень­ ше величины нагрузки, определенной из условия прочности.

Результаты испытаний распространяются и на другие элементы кон­ струкции при условии, что подобие решения будет подтверждено с по­ мощью расчетов. Следует принимать такие решения, при которых разру­ шение проектируемого элемента будет одинаковым (например, одинако­ вая потеря устойчивости формы).

5.3.3. Учет совместного действия материалов

При проектировании легких конструкций желательно применять эле­ менты, в которых со сталью работают-другие материалы. При определе­ нии прочности, устойчивости и деформируемости таких систем надо рассматривать приведенное сечение совместно работающих материалов.

103

Это сечение равно действительному сечению, умноженному на отноше­ ние модулей упругости совместно работающего материала со сталью. Следовательно, поступают так же, как в теории железобетона в области упругих деформаций.

Соединения между совместно работающими материалами должны быть прочными, физические и механические свойства — постоянными во времени и одинаковыми во всех случаях нагрузки конструкций.

5.4.ВЫБОР МЕТОДА РАСЧЕТА

Внастоящее время нет разработанного единого общего метода рас­ чета тонкостенных стержней. Следует отметить, что такой метод для

практических целей был бы непригоден из-за очень сложных формул и расчетов. Поэтому в настоящее время находят применение прежде все­ го теория тонкостенного стержня Власова и теория закритической несу­ щей способности. Оба метода дополняются частными решениями, каса­ ющимися частных проблем (например, изменения кривизны профиля, влияния сосредоточенных нагрузок на несущую способность стенки, дру­ гих форм устойчивости). В обычных стальных конструкциях эти частные проблемы обычно не рассматриваются. В легких элементах из гнутых профилей они могут оказать решающее влияние на несущую способ­

ность.

Т е о р и я В л а с о в а не зависит от формы профиля. При использо­ вании теории кроме дополнения упомянутыми частными решениями не­ обходима еще проверка местной устойчивости стенок стержня. Этот ме­ тод требует хорошего знания теории.

Т е о р и я з а к р и т и ч е с к о й н е с у щ е й с п о со б н о ст и в форме, лучше всего разработанной Винтером, находит применение для профи­ лей, состоящих из плоских стенок, соединенных под прямым углом или под углом, немногим отличающимся от прямого. Это не общий метод, но он пригоден для профилей, широко применяемых в строительных эле­ ментах. При его использовании надо кроме дополнений упомянутыми выше частными решениями проверить еще боковое выпучивание по тео­ рии Власова. Этот метод несложен в расчетах.

5.4.1. Основы методов подбора сечений

Теория тонкостенных стержней Власова. По Власову [226], тонко­ стенными стержнями считают длинные призматические или цилиндриче­ ские оболочки, характеризующиеся тем, что их длина, ширина и толщи­ на выражена величинами разных порядков: толщина стенки мала по сравнению с каким-либо другим размером поперечного сечения (т. е. ши­ риной стенки), а размеры поперечного сечения малы по сравнению с дли­ ной стержня. Этим условиям отвечают многие строительные системы или их стержни, и все они относятся к гнутым профилям.

Характерной чертой тонкостенного стержня является то, что во вре­ мя кручения он подвергается продольной деформации, называемой ко­ р о б л е н и е м (депланацией), и в нем возникают пропорциональные

104

этой деформации нормальные напряжения. Во многих случаях эти на­ пряжения имеют очень большую величину и не исчезают быстро вдоль стержня от места приложения нагрузки, вследствие чего их нельзя не учитывать в соответствии с принципом Сен-Венана.

Власов говорит, что нельзя однозначно определить границу между призматическими стержнями со сплошным сечением и тонкостенными стержнями. При кручении тонкостенный стержень с жестким замкнутым профилем во многих случаях можно рассматривать как призматический со сплошным сечением. Возникающие в таком стержне дополнительные продольные нормальные напряжения часто носят характер местных на­ пряжений, поэтому в соответствии с принципом Сен-Венана их можно не учитывать. Этого нельзя делать по отношению к стержням с откры­ тыми незамкнутыми профилями, сечение которых не очень жесткое.

Определение количественных критериев при классификации элемен­ тов конструкций как тонкостенных стержней невозможно. Власова удов­ летворяет общий критерий. Система относится к тонкостенным стержням, если

Из многочисленных экспериментов известно, что хорошее соответст­ вие теории тонкостенных стержней и эксперимента достигается тогда, когда стенки стержня тоньше. В случае гнутых профилей излишняя мяг­ кость критерия Власова не имеет значения, поскольку у стенки типа стенки-балки

-£ -< 0 ,0 3 и — < 0 ,0 5 ,

bI

ау стенки типа пояса (например, полки швеллера) или полки (напри­ мер, углового профиля)

Объяснение основных понятий и определение теории тонкостенных стержней приводятся в разделе 6. Необходимо отметить, что наилучшее соответствие опыта и теории было получено в исследовании общей ус­ тойчивости, которая, с практической точки зрения, является важнейшей в элементах конструкций из гнутых профилей.