Коэффициенты запаса

Понятие вероятности неразрушимости при проектировании сварных конструкций пока используется редко, а её оценку ведут по коэффициен-там запаса. Различают требуемое (установленное) и фактическое значение коэффициентов запаса. Установленное значение коэффициента запаса фор-мируется под влиянием как технических, так и экономических, организа-ционных, конъюнктурных и других факторов. Требуемые коэффициенты запаса определяют безопасность эксплуатации конструкций и их эконо-мичность. Они регламентированы нормативными документами и выступа-ют в неявном виде, например в виде допускаемого напряжения, значение которого ниже напряжения, соответствующего возникновению предель-ного состояния. В некоторых случаях они могут быть также указаны в виде конкретного числа. В проектных методах расчета часто используют нормативное значение предела текучести s_Т или временного сопротивле-ния s_в для определенных марок сталей. Они являются справочными для последующего определения по ним расчетных сопротивлений или допус-каемых напряжений. Подразумевается, что требуемый коэффициент запаса

должен компенсировать возможные отклонения нескольких параметров: нагрузок, свойств металла, сечений элементов и других. Поэтому при уста-новлении этих коэффициентов запаса необходимо пользоваться как част-ными коэффициентами запаса, так и общим коэффициентом запаса. Запас

прочности - это отношение каких-нибудь двух однотипных величин, одна из которых отвечает наступлению предельного состояния, а вторая - состо-янию эксплуатации:

; К = (1.22)

Например, отношение величины нагрузки, вызывающей предельное состояние, Р_пр к величине эксплуатационной нагрузки Р_экспл; отношение прогибов – предельного f_пр и эксплуатационного f _экспл ; отношение напря-жений – текучести σ_т и действующего σ_д и т.д.

Требуемые частные коэффициенты запаса [n]>1 устанавливаются ди-рективным путем, они никакому расчетному определению не подлежат и являются числами, показывающими, во сколько раз их нормативные зна-чения должны быть изменены для устранения возможных неблагоприят-ных отклонений.

Фактические коэффициенты запаса определяются либо эксперимен -тально, либо расчетным путем. Они вычисляются сравнением однородных характеристик. При растяжении образца силой Р (рис.1.3) частные коэф-фициенты запаса силы и напряжения могут быть определены по форму-лам:

(1.23)

где Р_р – расчетная сила;

Рэ – эксплуатационная сила;

s_т – предел текучести, МПа;

s_в – временное сопротивление, МПа.

Рисунок 1.3 - Схема растяжения образца силой Р

При наличии трещины в образце (рис.1.4) частные коэффициенты запаса могут быть определены по формулам:

; (1.24)

где К_L – коэффициент запаса прочности в зависимости от длины трещины;

L _крит – критическая длина трещины;

L _экспл – эксплуатационная длина трещины;

К_и.н – коэффициент запаса в зависимости от коэффициентов ин-тенсивности напряжений;

К_разр – коэффициент интенсивности при напряжении разруше-ния;

К_экспл – коэффициент интенсивности при эксплуатационном нап-ряжении.

Рисунок 1.4 - Образец с трещиной

Рядом с частными коэффициентами различают и общие коэффициен-ты запаса прочности. Общий коэффициент запаса прочности по -

казывает, во сколько раз возможно отклонение какого-нибудь из парамет-ров для достижения критического состояния, если остальные параметры считаются неизменными.

Рассмотрим указанные понятия на примере расчета нахлёсточного сварного соединения с угловыми швами, передающего эксплуатацион-ную силу Р_э . При этом предполагается, что длина швов точно соответ-ствует указанной на чертеже.

Если параметры входят в первую степень, то общий коэффициент запаса прочности равняется произведению частных требуемых коэффици-ентов запаса прочности:

[n]=[n]_p [n]_τ [n]_F, (1.25)

где [n]_p= Р_расч/Р_э; [n]_τ = τ_p/[τ]; [n]_F = F_пр/F_расч;

Р_расч – расчетная сила;

Р_э – эксплуатационная сила;

τ_p– нормативное минимальное значение прочности швов на срез;

[τ] – допускаемое напряжение среза (расчетное) в швах;

F_пр – проектное сечение шва, указанное на чертежах;

F_расч – расчетное сечение шва.

Тогда расчетная формула для определения необходимого (проектно-го) сечения шва имеет вид

F_пр= (1.26)

где L – длина периметра швов сварного соединения.

На рисунке 1.5 приведено стыковое сварное соединение с непрова-ром.

Рисунок 1.5 - Образец с непроваром

При его расчете на сопротивляемость разрушению при чувствитель-ности металла к концентрации напряжений критическое напряжение опре-деляют по формуле, которая имеет степенной вид

, (1.27)

где σ_С – критическое напряжение, при котором происходит разрушение;

К_С – критический коэффициент интенсивности напряжений;

А – численный коэффициент, отображающий расположение непровара или трещины в соединении, значение которого приведено в справочной литературе.

– характерный размер непровара с толщиной металла S.

Пусть будут заданы требуемые коэффициенты запаса по нагрузке (напряжению)[n]_р, механической характеристике [n]_k, возможному отк-лонению от установленного размера непровара [n] . Тогда расчетная фор-мула для определения эксплуатационного допускаемого напряжения имеет вид

(1.28)

В данном случае общий коэффициент запаса относительно К _с и s_э имеет одно значение, а относительно – другое.

Для К_С и s_э – _{= ,} (1.29) для – = , (1.30)

где и – общие коэффициенты запаса.

Чаще всего в экспериментах определяют фактический коэффициент запаса как общий коэффициент запаса по тому параметру, который опре-деляют во время опыта. Например, если при испытании регистрируется разрушающая нагрузка Р_р сварного соединения с угловыми швами, а меха-нические свойства и размеры катетов швов отвечают нормативным значе-ниям, то отношение Р_р/Р_э дает общий коэффициент запаса прочности.