Виды напряжений и их учет в расчете элементов стальных конструкций

Напряжения в зависимости от вида подразделяются на основные, дополнительные, местные и начальные.

Основные напряжения - напряжения, определяемые от внешних воздействий методами, излагаемыми в курсе сопротивления материа­лов. Основные напряжения определяются по усилиям, установленным для принятой идеализированной расчетной схемы (например, в решет­чатых конструкциях—фермах и др., исходя из шарнирного вместо практически жесткого сопряжения стержней в узлах, иногда без учета пространственной работы системы в целом и т. п.), без учета местных, дополнительных и внутренних напряжений.

Поскольку основные напряжения уравновешивают внешние воздей­ствия и определяют несущую способность элементов конструкций, они и выявляются расчетом и по ним в основном судят о надежности кон­струкций.

Дополнительные напряжения- напряжения, возникающие в ре­зультате дополнительных связей по отношению к принятой идеализи­рованной расчетной схеме (например, из-за жесткости узлов, дополни­тельных систем связей и т. п.). Дополнительные напряжения, опреде­лимые методами строительной механики, при пластичном материале не оказывают существенного влияния на несущую способность конст­рукции.

Местные напряжениямогут быть двух видов:

в результате внешних воздей­ствий;

в местах резкого изменения или нарушения сплошности сечения, где вследствие искажения силового по­тока происходит концентрация на­пряжений.

В первом случае местные на­пряжения уравновешиваются с вне­шними воздействиями, во втором - они внутренне уравновешены.

К местным напряжениям, возни­кающим из-за внешних воздействий, относятся напряжения в местах при­ложения сосредоточенных нагрузок - на опорах, в местах опирания каких-либо других конструкций (рис. а),под катками мостовых кранов в подкрановых балках (рис. б), в местах крепления вспомогательных элементов. Местные на­пряжения могут привести к развитию чрезмерных пластических дефор­маций, трещин или к потере устойчивости в тонких элементах сечений (например, стенки двутавра).

Рис. Местные напряжения

а - в местах приложения сосредоточенных нагрузок; б - под катком крана

Начальные напряжения. Начальными называются напряжения, ко­торые имеются в ненагруженном внешней нагрузкой элементе и кото­рые появились в нем в результате неравномерного остывания после прокатки или сварки или в результате предшествующей работы элемен­та и его пластической деформации, поэтому они называются также вну­тренними, собственными или остаточными. Начальные напряжения всегда уравновешены, поэтому эпюры их двузначны.

Начальные напряжения, складываясь с напряжениями, вызванны­ми внешней нагрузкой, приводят к тому, что результирующие напряже­ния в материале существенно отличаются от напряжений, определяе­мых расчетом. При неблагоприятном распределении напряжений (например, при результирующем поле, плоскостном или объемном с нор­мальными напряжениями одного знака) развитие пластических дефор­маций может оказаться затрудненным, в результате чего появится опасность хрупкого разрушения.

Начальные напряжения приводят к повышению деформации, как бы снижая модуль упругости элемента, что может сказаться неблагоприятно на устойчивости при продольном изгибе. Борьба с начальными напряжениями ведется преимущественно кон­структивными мероприятиями и соответствующим ведением технологи­ческого процесса при изготовлении металлических конструкций (при сварке и т. п.).

Предварительное напряжение, создаваемое в конструкциях с целью повышения ее эффективности, также является начальным напряже­нием.

Рис. Начальные напряжения

а - напряжения в балке двутаврового сече­ния (1 - начальные напряжения; 2 - напря­жения от внешней нагрузки; 3 - суммарные напряжения при образовании шарнира пла­стичности); б - прогибы балки (1 - при от­сутствии начальных напряжений; 2 - при на­личии начальных напряжений); в - повышение несущей способности балок созданием предва­рительного напряжения; σ_о - предваритель­ное напряжение; R - расчетное сопротивле­ние; Р₁ - максимальная нагрузка без предва­рительного напряжения; Р₂ - то же, с пред­варительным напряжением

Если в конструкции искусственным путем создать напряжение об­ратного знака напряжениям от нагрузки, то при действии нагрузки сначала прорабатываются предварительные напряжения, а затем раз­виваются напряжения от нагрузки (в). В результате протя­женность упругой работы материала увеличивается и несущая способ­ность конструкции повышается.

Создавая предварительное напряжение, можно повысить несущую способность и жесткость конструкции, уменьшить перемещения, повы­сить усталостную прочность.

Алюминиевые сплавы

Алюминий по своим свойствам существенно отличается от стали. Плотность его р = 2,7 т/м³, т.е. почти в три раза меньше плотности ста­ли. Модуль продольной упругости алюминия Е = 71 000 МПа, модуль сдвига G=27000 МПа, что примерно в три раза меньше, чем модуль продольной упругости и модуль сдвига стали. Алюминий не имеет пло­щадки текучести; прямая упругих деформаций непосредственно перехо­дит в кривую упругопластических деформаций. Алюминий очень пластичен; удлинение при разрыве достигает 40...50 %, но проч­ность его весьма низка σ_u=60...70 МПа, а условный предел текучести σ_0,2 = 20...30 МПа. Чистый алюминий быстро покрывается очень прочной окисной пленкой, препятствующей дальнейшему развитию коррозии.

Вследствие весьма низкой прочности технически чистый алюминий в строительных конструкциях применяется весьма редко. Значительное увеличение прочности алюминия достигается путем легирования его магнием, марганцем, медью, кремнием, цинком и некоторыми другими элементами.

Временное сопротивление легированного алюминия (алюминиевых сплавов) в зависимости от состава легирующих добавок в 2—5 раз вы­ше, чем технически чистого; однако относительное удлинение при этом соответственно в 2—3 раза ниже. С повышением температуры прочность алюминия снижается и при температуре свыше 300 °С близка к нулю.

Особенностью ряда многокомпонентных сплавов А1-Mg-Si; Al-Си-Mg; Al-Mg-Zn) является их способность к дальнейшему уве­личению прочности в процессе старения после термической обработки; такие сплавы называются термически упрочняемыми.

Временное сопротивление некоторых высокопрочных сплавов (систе­мы Al-Mg-Zn) после термической обработки и искусственного старе­ния превышает 400 МПа; относительное удлинение при этом составляет всего 5—10 %. Термическая обработка сплавов двойной композиции (А1-Mg, Al-Mn) к упрочнению не приводит; такие сплавы получили название термически неупрочняемые.

Коррозионная стойкость сплавов зависит от состава легирующих до­бавок, состояния поставки и степени агрессивности внешней среды.

Полуфабрикаты из алюминиевых сплавов (листы, профили, трубы и т. п.) поставляются с заводов в соответствии с установленными стан­дартами. Состояние поставки указывается в обозначении после марки сплава: ГП - горячекатаное; М - мягкое (отожженное); Н - нагарто­ванное; 1/2Н - полунагартованное для листов или П - то же, для про­филей и труб; Т - закаленное и естественно состаренное в течение 3 - 6 сут при комнатной температуре; Т1 - закаленное и искусственно со­старенное в течение нескольких часов при повышенной температуре; Т5 - не полностью закаленное и искусственно состаренное.

Из большого числа марок алюминия к применению в строительстве рекомендуется всего шесть, некоторые из которых в нескольких состоя­ниях поставки:

термически неупрочняемые сплавы: АД1М и АМцМ (листы); АМг2М (листы); АМг2М (трубы);

термически упрочняемые сплавы: АД31Т (профили и трубы); АД31Т1 и АД31Т5 (профили); 1915ГП и 1915Т (профили и трубы); 1925ГП и 1925Т (профили и трубы).