ВИДЫ НАПРЯЖЕНИЙ В СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ

Напряжения в стальных конструкциях подразделяются на основные, дополнительные, местные и начальные.

1. Основные напряжения определяются от внешних нагрузок для упругой стадии работы. Эти напряжения уравновешивают усилия в элементах от внешних воздействий и определяются по формулам:

и т. д.

По ним ведется расчет элементов конструкций. Например, для ферм идеализированной является схема 1 (рисунок 4.1.1) с шарнирными соединениями в узлах. В действительности шарниров там нет, узлы ферм всегда конструктивно выполняются жесткими (схема 2). В легких фермах изгибная жесткость элементов фермы невелика, ею часто пренебрегают и определяют усилия так же, как в шарнирной системе.

2. Если строго следовать реальной расчетной схеме (рисунок 4.1.1, схема 2), то ферму следует рассчитать как много раз статически неопределимую систему, найти моменты в элементах, в узлах и учесть их в расчете. К основным напряжениям в этом случае добавятся напряжения от моментов, которые называются дополнительными. В легких фермах ими пренебрегают, так как они выравниваются за счет пластической работы материала. Однако сокращение пластических деформаций в высокопрочных сталях, увеличение изгибной жесткости элементов в тяжелых фермах, снижение коэффициентов запаса, а также возможность применения современной вычислительной техники – все это приводит к необходимости учета дополнительных напряжений в расчетах как основных.

Рисунок 4.1.1 – Расчетные схемы ферм: 1 – идеализированная; 2 – реальная

Причиной появления дополнительных напряжений могут быть и другие, обычно не учитываемые в расчетах связи.

3.Местные, или локальные, напряжения возникают в местах: 1) изменения сечения элементов, 2) приложения на небольшой длине больших сосредоточенных нагрузок. Действуя на небольшой длине, они не сказываются на общих деформациях конструкций. Они приводят к появлению плоского напряженного состояния. Это увеличивает опасность разрушения конструкций.

Рисунок 4.1.2 - Эпюры напряжений от ослабления сечения круглым отверстием

Местные напряжения первого рода – концентрация напряжений – приводят к искажению силового потока, являются внутренне уравновешенными и быстро уменьшаются по мере удаления от концентратора (рис. 5). Величина локальных (пиковых) напряжений зависит от того, как резко меняется сечение в месте его изменения и характеризуется коэффициентом концентрации напряжений

где максимальное (пиковое) напряжение в месте концентрации; среднее напряжение, подсчитанное по ослабленному сечению.

Теоретически напряжение по краю трещины при упругой работе материала стремится к бесконечности, реально доходит до 9. За счет пластичности материала напряжения быстро выравниваются. Напряжение при нормальной температуре и статической нагрузке на несущую способность заметно не сказывается и в расчетах не учитывается. Однако при пониженных температурах и при динамических, циклических нагрузках может быть причиной хрупкого разрушения. Мероприятия по предотвращению этого – подбор стали в соответствии с условиями работы и снижение концентрации напряжений плавным изменением сечения.

Рисунок 4.1.3 – Местные напряжения от сосредоточенной нагрузки

Местные напряжения второго рода уравновешивают внешние воздействия. Могут привести к плоскому напряженному состоянию – сжатию или растяжению в двух направлениях и, как следствие, – трещине или потере местной устойчивости в тонких элементах. Местные напряжения этого вида учитываются в расчетах, возможно также местное усиление конструкций (ребра жесткости, увеличение толщины элементов и т.п.)

4.Начальные напряжения, имеющиеся в элементах стальных конструкций до их загружения, связаны, как правило, с нагреванием металла при изготовлении проката или сварке и неравномерным его остыванием. Например, в прокатных двутаврах полки всегда значительно толще стенки, поэтому они остывают значительно медленнее ее. Поэтому последняя раньше переходит через температуру 500¸600 ^оС и в ней появляется модуль упругости Е > 0, тогда как в рядом расположенных полках Е = 0, и они способны пластически деформироваться без появления в них каких-либо напряжений. Позже полки также переходят через этот интервал и, остывая дальше, будут, работая вместе со стенкой, натягиваться, опираясь на стенку и сжимая ее при этом.

Начальные напряжения самоуравновешиваются в конструкциях. Cкладываясь с основными, они могут ускорять или замедлять переход в пластическую стадию работы отдельных частей сечения, увеличивать деформации и через них влиять на устойчивость, но на несущую способность влияют слабо. Образуя плоское или объемное напряженное состояние, начальные напряжения могут способствовать хрупкому разрушению. Борьба с начальными напряжениями ведется технологическими мерами – уменьшением разности температур между отдельными частями конструкций при остывании.

Рисунок 4.1.4 – Начальные напряжения в двутавре

Иногда начальные напряжения создаются искусственно в процессе изготовления или монтажа конструкций для повышения их эффективности – в этом случае их называют предварительными и учитывают в расчетах как основные.