Расчет изгибаемых элементов на прочность при упругой работе металла

Металлические конструкции настолько прочны, что кажется могут выдержать любые нагрузки длительное время. На самом же деле в металле при нагружении и многократном нагружении идет невидимая глазу работа, которая может привести к разрушению.

Стадии работы металла

Металл может разрушаться по одному из двух сценариев:

1. Хрупкое разрушение происходит неожиданно, без заметных деформаций, межатомные связи разрушаются, что приводит к потере эксплуатационных качеств.
2. Пластическое разрушение происходит медленно, но его сопровождают значительные деформации.

Оба вида деформаций могут происходить с одним элементом, сценарий будет зависеть от нагружения, концентраторов напряжений, температуры воздуха, наличия дефектов.

При одноосном растяжении элемента можно наблюдать, как сменяются 4 стадии работы металла:

• на первой стадии наблюдается упругая работа металла, поэтому она называется стадией упругой работы;
• на второй стадии в зернах феррита образуются сдвиги и нарушается связь, эта стадия работы называется упругопластической;
• на третьей стадии увеличивается плотность и наблюдается интенсивное движение дислокаций, развиваются линии сдвига в зернах феррита, эта стадия работы называется текучесть;
• на четвертой стадии работы сдерживается развитие деформаций, искривляются линии сдвига, наблюдается самоупрочнение, и материал работает как упругопластический.

Рисунок 1. Учет упругопластической работы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Расчет изгибаемых элементов на прочность при упругой работе металла

По напряженно-деформированному состоянию все элементы конструкций делятся на три больших класса:

• к первому классу относятся конструкции, находящиеся в напряженно-деформированном состоянии, важным условием этого состояния является то, что напряжение в сечении не превышает расчетного сопротивления стали и материал работает упруго;
• ко второму классу относятся сечения, которые в одной части испытывают напряженно-деформированное состояние при упругой работе материала, а в дугой части сечения напряжения равны расчетному сопротивлению стали;
• к третьему классу относится такое напряженно-деформированное состояние конструкции, при котором по всей площади сечения напряжения равны расчетному сопротивлению, это состояние называется пластификацией сечения.

Класс назначается проектировщиком исходя из допустимых значений деформаций, размеров сечения, толщин частей элемента, агрессивности среды, конструктивных соображений и опасности пластического разрушения.

В изгибаемых элементах при нагружении возникает несколько видов напряжений, поэтому расчет ведется по обеим группам предельных состояний. Для первой группы предельных состояний характерно вязкое и усталостное разрушение, а также потеря устойчивости, а для второй группы предельных состояний характерно достижение предельных перемещений.

Расчет выполняется по нормальным напряжениям, по касательным напряжениям, по местным напряжениям.

Рисунок 2. Расчет на устойчивость. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Также должны быть выполнены проверки общей и местной устойчивости.

В заключении выполняется проверка упругих деформаций. При работе сооружений в балках могут появиться деформации, которые будут затруднять эксплуатацию конструкции. Деформации проверяют на упругой стадии работы конструкции от воздействия нормальных нагрузок. Прогиб, который возникает от нагрузки, не должен превышать предельно допустимых значений, величину предельно допустимых значений можно найти в СП «Нагрузки и воздействия».

Для колонн зданий чаще всего выбирают двухветвевые сечения, в сквозных решениях колонн требуется обеспечить зазор. Сжато-изгибаемые элементы проходят проверки на общую устойчивость отдельных ветвей и расчет соединительных элементов, которые испытывают воздействие поперечной силы. Порядок расчет сквозных и сплошных сечений разный. Сжато-изгибаемые колонные сплошного сечения проверяют по первой группе предельных состояний, выполняют проверки на устойчивости в двух плоскостях и местную устойчивость.