2.4. Основы расчета металлических конструкций

Предельные состояния конструкций и предпосылки расчета

Нормативные нагрузки и коэффициенты перегрузки

Методика расчета металлоконструкций по первому предельному состоянию

 

2.4.1. Предельные состояния конструкций и предпосылки расчета

Состояние конструкции, при котором она перестает удовлетворять предъявляемым к ней эксплуатационным требованиям, называется предельным.

Наши нормы расчета различают три предельных состояния конструкции:

а) первое предельное состояние — по несущей способности (прочности, устойчивости или выносливости материала), при достижении которого конструкция теряет способность сопротивляться внешним воздействиям или получает недопустимые остаточные изменения своей формы;

б) второе предельное состояние — по развитию чрезмерных деформаций от статических или динамических нагрузок, при достижении которого, в конструкции, сохраняющей прочность и устойчивость, появляются недопустимые деформации или колебания;

в) третье предельное состояние — по местным повреждениям (образованию или раскрытию трещин), при достижении которого появление в конструкции, сохраняющей прочность и устойчивость, трещин (или их раскрытие до определенной величины) делает дальнейшую эксплуатацию неудовлетворительной (вследствие потери требуемой водонепроницаемости, опасности коррозии, повреждения отделочного слоя и т. п.).

Расчетные предпосылки, принимаемые с учетом действительных условий поведения конструкций в предельных состояниях, а также основные расчетные величины (нагрузки, сопротивления) устанавливаются нормами расчета таким образом, чтобы сооружения не имели излишних запасов, но были бы обеспечены с практически необходимой гарантией от возникновения предельных состояний.

Основное требование норм расчета состоит в том, чтобы величины усилий (напряжений), деформаций (перемещений) и размеры трещин от учитываемых в расчетах внешних воздействий не превосходили предельных значений, характеризующих предельные состояния и определяемых нормативными документами — «Строительными нормами и правилами» (СНиП) и техническими условиями проектирования.

В соответствии с этим каждое из предельных состояний характеризуется предельным условием, выражающимся в том, что для возможности эксплуатации сооружения силовые факторы, действующие на сооружение или конструкцию, должны быть меньше предельной величины, ограничивающей возможность эксплуатации, а в предельном состоянии — равны этой величине.

Для первого предельного состояния предельное условие имеет вид 

(26)

где N — усилие в рассматриваемом элементе конструкции (функция нагрузок, действующих на сооружение);

Ф — предельное усилие, воспринимаемое материалом рассматривае­мого элемента и определяющее сопротивление элемента в зависимости от появления чрезмерно нарастающих деформа­ций (вообще говоря, пластических), при которых конструкция уже не может сопротивляться нагрузке (функция свойств мате­риала и размеров элемента). 

 

Для второго предельного состояния предельное условие имеет вид 

(27)

где d — деформация или перемещение конструкции в результате внешних воздействий на нее (функция нагрузок, материала и системы сооружения);

d_пр—предельная деформация или перемещение, ограничивающие условия нормальной эксплуатации (функция назначения сооружения). 

Для третьего предельного состояния предельное условие имеет аналогичный вид 

(28)

где е—соответствующее раскрытие трещины. 

 

Ввиду того, что в металлических конструкциях появление трещин зависит не от силовых воздействий, развивающихся при эксплуатации сооружения, а от неправильностей технологии изготовления или монтажа (например, трещины при сварке), при расчете металлических конструкций третье предельное состояние не учитывается.

Расчет должен обеспечить возможность эксплуатации сооружений или конструкций на все время их существования. Для этого величина N неравенства (26) должна представлять собой возможное наибольшее за время эксплуатации сооружения усилие как функцию наибольших возможных за это время нагрузок. По этим нагрузкам производится расчет, поэтому они и называются расчетными нагрузками. Эти нагрузки зависят от крайне разнообразных условий работы сооружения и при случайных отступлениях от условий нормальной эксплуатации могут быть достаточно большими, а возможно, и большими, чем те нагрузки, которые установлены в нормах расчета в качестве основных характеристик внешних воздействий (так называемые нормативные нагрузки, отвечающие условиям нормальной эксплуатации сооружения).

 

Таким образом, величина расчетного усилия N может быть представлена в виде 

(29)

где  — нормативная нагрузка;

a_i.—число влияния рассматриваемого элемента конструкции, отвечающее нагрузке P_i (усилие при Р_i = 1);

n_i—коэффициент перегрузки нагрузки Р_i , т. е. отношение наиболь­шей возможной за время эксплуатации конструкции нагрузки (расчетной) к нормативной нагрузке;

— расчетная нагрузка. 

 

Тогда в соответствии с неравенством (26) получим 

(30)

 

Согласно указаниям норм, второе предельное состояние относится к условиям нормальной эксплуатации, и потому величину перемещения d определяют в функции нормативных нагрузок (без учета коэффициентов перегрузки).

 

В таком случае (поскольку при нормальной эксплуатации сооружение работает упруго) неравенство (27) может быть переписано так:

(31)

где s_max — максимальное напряжение, возникающее в элементе конструкции от сочетаний нормативных нагрузок;

s_т  - предел  текучести материала элемента конструкции.

 

Водные перевозки нефтепродуктов Наличие большого количества морей, судоходных рек, каналов и озер на территории России обусловило широкое развитие водных перевозок нефти и нефтепродуктов. Для некоторых экономических районов страны водный транспорт является основным средством перевозки нефти и нефтепродуктов. По своим экономическим показателям во многих случаях этот вид транспорта успешно конкурирует с трубопроводным. Различают следующие типы нефтеналивных судов: танкеры морские и речные; баржи морские (лихтеры) и речные. Далее...