Проектирование металлических конструкций — многоэтапный процесс, включающий в себя выбор конструктивной формы, расчет и разработку чертежей для изготовления и монтажа конструкций.
Целью расчета является строгое обоснование габаритов конструкции, ее размеров поперечных сечений и их соединений обеспечивающих 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 (минимальный расход металла и надежность), поэтому реальное проектирование является процессом поиска конструктивного оптимального решения.
Расчет состоит из следующих этапов: установления расчетной схемы, сбор нагрузок, определения усилий в элементах конструкций, подбор сечений и проверка допустимости напряженно-деформированного состояния конструкций, ее элементов и соединений.
Уже отмечалось, что до 1951 г. расчет металлических конструкций производился по допускаемым напряжениям с использованием единого коэффициента запаса. В 1951 г. выходят новые строительные нормы и правила, основанные на методе предельных состояний, где вместо одного используются три коэффициента, обоснованные методами математической статистики.
Достоинством методики допустимых 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, ответственных сооружений.
Поэтому оптимальной считается методика предельных состояний, которая проста и научно обоснована.
1. Общая характеристика предельных состояний
Строительные конструкции рассчитывают на силовые и другие воздействия, определяющие их напряженное состояние и деформации, по предельным состояниям.
Метод расчета по предельным состояниям впервые был разработан в Советском Союзе в 50-е годы. Целью метода является не допускать с определенной обеспеченностью наступления предельных состояний при эксплуатации в течение всего заданного срока службы конструкции здания или сооружения, а также при производстве работ.
Под предельными состояниями подразумевают такие состояния, при которых конструкции перестают удовлетворять заданным эксплуатационным требованиям или требованиям при производстве работ.
В расчетах конструкций на действие статических и динамических нагрузок и воздействий, которым они могут подвергаться в течение строительства и заданного срока службы, учитываются следующие предельные состояния:
Контрольная работа: Строительные конструкции
... – плотные, поризованные, ячеистые, крупнопористые. Бетон применяют для различных видов строительных конструкций, изготовляемых на заводах сборного железобетона или возводимых непосредственно на ... позволяет привести в систему характеристики видовнапряженно-деформированных состояний конструкций, которые широко распространены в строительной практике. В представленной таблице трудно отразить все ...
- первой группы — по потере несущей способности и (или) полной непригодности к эксплуатации конструкций;
- второй группы — по затруднению нормальной эксплуатации сооружений.
К предельным состояниям первой группы относятся: общая потеря устойчивости формы; потеря устойчивости положения; разрушение любого характера; переход конструкции в изменяемую систему; качественное изменение конфигурации; состояния, при которых возникает необходимость прекращения эксплуатации в результате текучести материала, сдвигов в соединениях, ползучести, недопустимых остаточных или полных перемещений или чрезмерного раскрытия трещин.
Первая группа по характеру предельных состояний разделяется на две подгруппы: по потере несущей способности (первые пять состояний) и по непригодности к эксплуатации (шестое состояние) вследствие развития недопустимых по величине остаточных перемещений (деформаций).
К предельным состояниям второй группы относятся состояния, затрудняющие нормальную эксплуатацию или снижающие долговечность вследствие появления недопустимых перемещений (прогибов, осадок, углов поворота, колебаний, трещин и т. п.).
Предельные состояния первой группы проверяются расчетом на максимальные (расчетные) нагрузки и воздействия, возможные при нарушении нормальной эксплуатации, предельные состояния второй группы — на эксплуатационные (нормативные) нагрузки и воздействия, отвечающие нормальной эксплуатации конструкций.
Надежность и гарантия от возникновения предельных состояний конструкции обеспечиваются надлежащим учетом возможных наиболее неблагоприятных характеристик материалов; перегрузок и наиболее невыгодного (но реально возможного) сочетания нагрузок и воздействий; условий и особенностей действительной работы конструкций и оснований; надлежащим выбором расчетных схем и предпосылок расчета, учетом в необходимых случаях пластических и реологических свойств материалов.
Это условие для первой группы предельных состояний по несущей способности может быть записано в общем виде
N?Ф, (3.2)
где N — усилие, действующее в рассчитываемом элементе конструкции (функция нагрузок и других воздействий);
- Ф — предельное усилие, которое может воспринять рассчитываемый элемент (функция физико-механических свойств материала, условий работы и размеров элементов).
Предельные состояния первой группы, ведущие к полному прекращению эксплуатации и (или) обрушению конструкций, не должны быть нарушены ни разу за весь срок службы сооружения, т.е. усилие N следует рассматривать как максимальное за весь период эксплуатации, а несущую способность элемента Ф — как минимально возможную.
Для второй группы предельных состояний, связанных, как правило, с перемещениями, также можно записать предельное неравенство:
ѓ ? [ѓ], (3.3)
где ѓ- перемещение конструкции (функция нагрузок):
[ѓ] — предельное перемещение, допустимое по условиям эксплуатации (функция конструкции и ее назначения).
Архитектурные конструкции многоэтажных зданий
... -- стеновой блок подвала 4 -- монолитный бетон(бутобетон) Рис.2 Конструкция столбчатых фундаментов а -- конструкция на фундаментной подушке б -- конструкция фундамента стаканного типа 1 -- наружная цокольная панель 2 ... совместная статическая работа наземной и подземной частей здания на горизонтальные нагрузки, гидроизоляция осуществляется из цементного раствора состава 1:2. По всей внешней ...
Предельные состояния второй группы, ведущие к нарушению нормальной эксплуатации, можно рассматривать как более мягкие. Поэтому расчет по второй группе предельных состояний следует выполнять на нагрузки, возникающие в процессе нормальной эксплуатации, без учета экстремальных ситуаций, приводящих к превышению этих нагрузок.
В общем случае работа конструкций и переход их в предельное состояние зависят от нагрузок, свойств материала и условий работы. Рассмотрим раздельно учет этих факторов при расчете конструкции по предельным состояниям.
2. Нагрузки и воздействия
В процессе эксплуатации конструкции подвергаются различным нагрузкам и воздействиям.
Работа конструкции, а следовательно, и особенности ее расчета во многом зависят от природы, характера и продолжительности воздействий. Так, при взрыве следует учитывать влияние скорости нагружения на свойства материала; при воздействии низких температур — повышенную опасность хрупкого разрушения; при продолжительном воздействии — ползучесть материала.
Классификация нагрузок и воздействий.
- нагрузки от собственного веса конструкций;
- технологические нагрузки (вес оборудования, складируемых материалов, людей, давление жидкостей, газов, сыпучих материалов и т.д.);
- атмосферные нагрузки (снег, ветер, гололед);
- температурные (технологические и климатические) воздействия;
- монтажные нагрузки;
- сейсмические и взрывные воздействия;
- аварийные нагрузки, возникающие при резком нарушении технологического процесса, поломках оборудования, обрывах проводов линий электропередачи и т.д.
Все эти нагрузки и воздействия вызывают в конструкциях усилия и перемещения и могут быть отнесены к прямым воздействиям. Кроме них на конструкции могут влиять биологические (гниение), химические (коррозия), радиационные и другие воздействия. Эти воздействия приводят к изменению свойств материала (снижению ударной вязкости при радиационном воздействии), меняют параметры работы элементов (уменьшение толщины элементов, повышение концентрации напряжений при коррозии) и в итоге влияют на несущую способность и долговечность конструкций. Такие воздействия называют косвенными.
Под характером воздействия будем понимать скорость и частоту приложения нагрузок. По этому признаку нагрузки подразделяют на статические, динамические и переменные многократно повторяющиеся.
При статических нагрузках скорость нагружения равна нулю или настолько мала, что вызываемые ими инерционные силы в расчете можно не учитывать и использовать методы статики сооружений.
При динамических нагрузках скорость нагружения высока и вызываемые ими инерционные силы необходимо учитывать при расчете конструкций. В этих случаях используются методы динамики сооружений. Нормы на проектирование стальных конструкций допускают учитывать влияние динамического характера нагрузок путем умножения статической нагрузки на коэффициент динамичности, устанавливаемый на основании теоретических или экспериментальных исследований.
При воздействии переменных многократно повторяющихся нагрузок в конструкциях могут возникнуть усталостные разрушения. В этом случае конструкции необходимо проверить на выносливость.
Лестницы пожарные наружные стационарные и ограждения крыш. Конструкция ...
... Балка: элемент конструкции лестницы, посредством которого она крепится к опорным колонам или к стене здания. Площадка: конструкция, состоящая из основания и жестко закрепленных к нему ограждений. Статическая нагрузка: внешнее воздействие, которое ...
В зависимости от продолжительности действия нагрузки делят на постоянные и временные. Временные нагрузки в свою очередь подразделяют на длительные, кратковременные и особые.
Постоянными нагрузками называют такие, которые действуют на конструкцию постоянно: собственный вес строительных конструкций, давление фунта, воздействие предварительного напряжения конструкций и т.п.
Длительными нагрузками называют такие, которые действуют на конструкцию продолжительное время (но могут и отсутствовать): вес технологического оборудования, вес складируемых грузов, давление жидкостей и газов в резервуарах и трубопроводах.
Кратковременными нагрузками называют нагрузки, действующие непродолжительное время: снег, ветер, подвижные краны, нагрузки, возникающие при транспортировке, монтаже, ремонтах и испытаниях конструкций, температурные климатические воздействия и т.д.
Особые нагрузки — это нагрузки, которые могут появиться в исключительных случаях: сейсмические воздействия, аварийные нарушения технологического процесса, резкие просадки грунтов.
Нормативные и расчетные нагрузки.
Основные положения по расчету устанавливают два значения нагрузок: нормативные и расчетные.
Нагрузки, отвечающие условиям нормальной эксплуатации, называют нормативными. Их величину устанавливают в нормах проектирования, оговаривают в техническом задании или определяют по проектным значениям геометрических параметров оборудования или конструкций.
Возможное отклонение нагрузок в неблагоприятную (большую пли меньшую) сторону от их нормативных значений как вследствие естественной изменчивости нагрузок, так и отступлений от условий нормальной эксплуатации учитывается коэффициентом надежности по нагрузке г ѓ . Значение этого коэффициента зависит от характера нагрузки и степени ее изменчивости. Так, нагрузки от собственного веса металлических конструкции могут отклоняться от нормативной в достаточно узких пределах (за счет допусков на размеры сечении, точности резки и т.п.), поэтому для этой нагрузки гѓ = 1,05.
Снеговая же нагрузка меняется в весьма широких пределах и для нее коэффициент надежности по нагрузке достигает 1,6.
Значения коэффициентов надежности но нагрузке определяют на основании статистической обработки результатов наблюдений, экспериментальных исследований или устанавливают на основании опыта проектирования.
Умножая нормативные значения нагрузок на коэффициенты надежности по нагрузке, получают ,i>расчетные нагрузки
F = F n гѓ ; q = qsub>nгѓ , (3.6)
где F n , qn — нормативные нагрузки
Расчетные нагрузки представляют собой наибольшие в вероятностном смысле нагрузки и воздействия за время эксплуатации сооружения и имеют высокую обеспеченность. Для большинства расчетных нагрузок обеспеченность превышает 0,99.
Следует подчеркнуть, что коэффициенты надежности по нагрузке учитывают только изменчивость нагрузки и возможность превышения ею нормативных значений. Они не учитывают динамического характера нагрузки или перспективного возрастания нагрузки со временем, например при модернизации производства и смене оборудования. Эти факторы при необходимости учитывают отдельно.
Отчет 109 с., 1 ч., 22 рис., 27 табл., 16 источников, 4 прил. ...
... работы и надежности по назначению целесообразно принять по рекомендациям Руководства по усилению железобетонных конструкций композитными материалами [10]: коэффициент надежности по назначению для материалов на ... выше заявленных, так как они составили около 17-21% от сопротивления растяжению углеродной нити. Расчетное сопротивление холстов и пластин растяжению следует определять по формуле =, ...
Сочетания нагрузок.
- основные сочетания, состоящие из постоянных, длительных и кратковременных нагрузок;
- особые сочетания, включающие кроме постоянных, длительных и кратковременных нагрузок одну из особых нагрузок.
Расчет удобно проводить на каждую нагрузку отдельно, а затем определять наиболее неблагоприятное сочетаний усилий. Если в основное сочетание входит одна временная нагрузка, ее принимают без снижения. При двух и более временных нагрузках основного сочетания их умножают на коэффициент сочетания ш , учитывающий малую вероятность совместного действия расчетных значений. Для временных длительных нагрузок ш1 = 0,95, для кратковременных ш2 = 0,9. В особых сочетаниях ш1 = 0,95, ш1 = 0,8 . при этом особую нагрузку принимают без снижения. Для сейсмических районов значения коэффициентов сочетаний установлены в специальных нормах.
металлический конструкция нагрузка сопротивление
3. Нормативные и расчётные сопротивления
Один из вопросов, возникающих при расчете конструкций — какую характеристику материала принять в качестве предельного сопротивления? Большинство строительных сталей имеют площадку текучести, поэтому если мы доведем напряжения до временного сопротивления, то наша конструкция получит столь большие перемещения, что задолго до этого придется прекратить ее эксплуатацию. Поэтому за предельное сопротивление материала для сталей, имеющих площадку текучести, принимают, как правило, значение предела текучести. По существу это означает, что, ограничив работу стали пределом текучести, мы тем самым не допускаем развития чрезмерных пластических деформаций. В том случае, если работа конструкции допустима при развитии значительных пластических деформаций (например, трубопроводы), за предельное сопротивление материала может быть принято значение временного сопротивления.
Значения предела текучести и временного сопротивления, установленные в нормах, называют соответственно нормативным сопротивлением по пределу текучести R yn и нормативным сопротивлением по временному сопротивлению Run . Эти значения соответствуют минимальным браковочным характеристикам, предусмотренным государственными стандартами и техническими условиями.
Свойства стали обладают определенной изменчивостью и, как это мы сделали для нагрузок, для нормативных сопротивлений также можно определить их обеспеченность. Согласно многочисленным статистическим исследованиям, для большинства строительных сталей обеспеченность нормативных сопротивлений составляет 0,95…0,99, что соответствует требованиям основных положений по расчету.
Хотя обеспеченность нормативных сопротивлений высока, существует, пусть и небольшая, вероятность, что в конструкцию попадет металл с более низкими характеристиками, тем более что контроль качества стали проводят выборочным методом. Кроме того, прокат часто поставляют с минусовыми допусками, и геометрические характеристики сечений могут быть меньше номинальных. Имеются и различия в работе стали в образцах, на которых проводятся испытания, и в конструкции. Влияние этих факторов на снижение несущей способности конструкций учитывают коэффициентом надежности по материалу г m . Значения гm , установлены на основании статистической обработки результатов заводских испытаний образцов и анализа условий контроля качества металлопроката.
Проектирование железобетонных конструкций
... работа предусматривает проектирование сборных железобетонных конструкций многоэтажного здания с неполным каркасом, т.е. панелей перекрытия, неразрезного ригеля, колонн первого этажа, фундамента. Все проектируемые элементы рассчитываются на прочность по предельным состояниям ... ригеля 3.1 Расчет нагрузок на ригель Подсчет нагрузок на 1м погонной длины ригеля Нагрузка Расчетная нагрузка на 1 м ...
При поставке сталей по ГОСТ 27772-88 для всех сталей кроме С590 и С590К г m =1,025. При поставке стали по ГОСТ 370-93 и ГОСТ 19281-89 (с изменениями), а также для сталей С590 и С590К по ГОСТ 27772-88 гm =l,05.
Основной расчетной характеристикой стали является расчетное сопротивление, определяемое делением нормативного сопротивления на коэффициент надежности по материалу:
R y = Ryn / гm ;
R u = Run / гm . (3.8)
При расчете конструкций с использованием расчетного сопротивления, установленного по временному сопротивлению, учитывают повышенную опасность такого состояния путем введения дополнительного коэффициента надежности г u =1,3.
Рассмотренные нормативные и расчетные сопротивления относятся к работе стали на растяжение, сжатие, изгиб, т.е. при действии нормальных напряжений. При срезе расчетные сопротивления R s , определяют путем умножения расчетного сопротивления растяжению Ry на коэффициент перехода 0,58, т.е. Rs =0,58Ry . При уx = уy = 0 условие перехода в пластическое состояние
у eѓ = v 3ф2 = уy / v 3.
При сжатии торцевой поверхности в случае плотной пригонки (строжка или фрезеровка торца) материал в зоне контакта работает в условиях всестороннего обжатия и расчетное сопротивление может быть повышено. Согласно нормам, R p = Ru .
При расчете проката на растяжение в направлении, перпендикулярном плоскости проката (г — направлении), учитывая пониженные прочностные и пластические свойства стали в этом направлении, а также возможность расслоя, расчетное сопротивление R th = 0,5Ru , т.е. меньше, чем при работе в плоскости проката.
4. Предельные состояния металлических конструкций и определение усилий в их элементах
В зависимости от свойств материалов, внешних воздействий и условий эксплуатации конструкции по виду работы под нагрузкой и наступлению предельных состояний можно разбить на шесть групп.
1. Конструкции, у которых предельное состояние наступает при работе в упругой или упругопластической стадии. К ним относятся конструкции, выполненные из пластических материалов при R н т <0,75 Rн в и находящиеся под воздействием статических нагрузок малой повторяемости. Эти конструкции в первой стадии работают упруго; во второй-по упругопластической схеме (участок а-б) в результате развития деформаций в шарнирах текучести или последовательного образования шарниров текучести в системе; в третьей стадии (участок б-в) происходит резкое нарастание перемещений системы из-за распространения пластического течения на все наиболее напряженное сечение в статически определимых системах или образования ряда шарниров текучести, превращающих статически неопределимую систему в изменяемую. В последней стадии работы система получает столь большие перемещения, что практически становится непригодной для дальнейшей эксплуатации.
Особенности конструкции и режимы работы автотрансформаторов
... выгодности. Для характеристики автотрансформаторов введено также понятие типовой мощности, на которую рассчитывается последовательная обмотка: Типовая мощность отражает экономическую сторону конструкции автотрансформаторов, то е ... нельзя. Этот вывод особенно важен при рассмотрении комбинированных режимов работы автотрансформатора. Такие режимы возникают, если имеется третья обмотка, связанная с ...
При работе под нагрузкой эксплуатационные качества таких конструкций определяются двумя предельными состояниями — по несущей способности и непригодности к нормальной эксплуатации, предупреждение которых и должно быть обеспечено расчетом.
Первое предельное состояние может наступать при нарушении нормальных условий эксплуатации и перегрузке конструкции. Расчет в этом случае производится по расчетным нагрузкам.
При перегрузке конструкции и работе ее в упругопластической стадии возможны такие случаи, когда развиваются значительные перемещения f полн при сохранении несущей способности. При этом после снятия нагрузки часть перемещений снимается благодаря упругой работе конструкции, а часть focт остается из-за развившихся пластических деформаций. Это состояние конструкции также отвечает первому предельному состоянию (второй подгруппы).
Остаточные деформации допустимы только такой величины, при которой не нужен капитальный ремонт и не будет создано препятствий для дальнейшей нормальной эксплуатации конструкций (например, не будет заклинивать мостовой кран, повреждено кровельное покрытие или стеновое ограждение и т.п.).
Возможность возникновения полных и остаточных деформаций в допустимых пределах должна проверяться расчетом конструкции при работе ее в упругопластической стадии при воздействии расчетных нагрузок. Размеры допустимых полных и остаточных деформаций при воздействии расчетных нагрузок нормами пока не установлены, и принимать их надо на основе опыта эксплуатации конструкций и анализа их работы под нагрузкой.
В процессе проектирования необходимо обеспечить также соответствующие эксплуатационные качества работы конструкций в упругой стадии при воздействии нормативных нагрузок (без перегрузки).
Хотя при этих воздействиях несущая способность конструкции обеспечивается, возникающие упругие перемещения могут препятствовать их нормальной эксплуатации, например, по гибким подкрановым балкам затрудняется проезд мостовых кранов, зыбкое покрытие неприятно сказывается на самочувствии людей и т. п. Такое состояние отвечает второму предельному состоянию. Проверка расчетом возможности появления такого состояния производится по упругой стадии работы конструкций при воздействии нормативных нагрузок (без перегрузки).
2. Конструкции, у которых предельное состояние наступает только при упругой стадии работы. К таким конструкциям относятся конструкции, находящиеся под воздействием статических нагрузок малой повторяемости, выполненные из стали высокой прочности. В конструкциях из таких металлов пластические деформации развиваются при напряжениях, близких к временному сопротивлению, что делает опасным использование этих напряжений. Поэтому расчет таких конструкций и по первому, и по второму предельным состояниям производят по упругой стадии работы. Неразрушимость конструкций в этих случаях при определении прочности обеспечивается введением дополнительного коэффициента г b .
Металические конструкции
... на поверхность арматуры. Общая характеристика и основы проектирования металлических конструкций 2.1 Номенклатура стальных конструкций Стальные конструкции используют в различных инженерных сооружениях, которые в зависимости ... висячие. В балочных системах часто применяют сталежеле-зобетонные балки, объединяя стальные главные балки пролетного строения с железобетонной плитой проезжей части для ...
3. Конструкции, у которых предельное состояние наступает вследствие потери устойчивости. Потеря устойчивости происходит при сравнительно малых перемещениях, поэтому эксплуатационные качества конструкции определяются не ее деформациями, а несущей способностью. Проверка устойчивости относится к первому предельному состоянию и производится при воздействии расчетных нагрузок.
4. Конструкции, у которых предельное состояние наступает вследствие хрупкого разрушения. Хрупкое разрушение возможно при применении любых марок стали, и происходит оно при малых деформациях как при расчетных, так и при нормативных нагрузках. Хрупкому разрушению способствуют концентрации напряжений, ударные воздействия, понижение температуры и другие факторы. Предельное состояние конструкции в этих случаях относится к первому состоянию, поскольку при этом теряется несущая способность.
5. Конструкции, у которых предельное состояние наступает вследствие усталости. Усталостные разрушения относятся к первому предельному состоянию, поскольку происходит исчерпание несущей способности конструкции. Такого вида разрушения наступают при многократном нагружении, которое возможно только при нормальном режиме эксплуатации конструкции. Поэтому выносливость (усталость конструкции) проверяют при воздействии нормативных или меньших, но часто повторяющихся нагрузках при работе конструкций в упругой стадии.
6. Конструкции, предельное состояние которых наступает вследствие колебаний, вызванных динамическим воздействием нагрузок. Колебания конструкций могут возникать при пуске и остановке оборудования, нормальной его работе, ветровом воздействии на сооружение и др. и могут неблагоприятно сказаться на самочувствии людей, затруднить или исключить возможность работы с точными приборами и даже привести к разрушению конструкций. Особенно следует отметить возможность разрушения конструкций при землетрясении. В зависимости от вида и характера колебаний состояние конструкции может быть отнесено к первому или второму предельному состоянию.
Список используемой литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/predelnoe-sostoyanie-konstruktsii/
1. Стрелецкий Н.С., Стрелецкий Д.Н., Проектирование и изготовление экономичных металлических конструкций, М., 1964 (Материалы к курсу металлических конструкций, в.4);
2. Мельников Н. П., Металлические конструкции за рубежом, М., 1971; Строительные нормы и правила, ч. 2, раздел В, гл. 3.
3. В.Г. Микульский. Г.И. Горчаков. Строительные материалы. АВС 2002г.
