При расчете конструкций по допускаемым напряжениям условия прочности конструкции заключается в том, что напряжение в элементе конструкции от нагрузок нормальной эксплуатации (нормативных нагрузок) не должно превышать допускаемого напряжения [s]. Допускаемое напряжение устанавливается нормами проектирования как предельное сопротивление материалов деленное на некоторый единый коэффициент запаса

[s] .

В новой методике расчета единый коэффициент запаса заменен сочетанием четырех коэффициентов , , , , отдельно учитывающих влияние нагрузки, сопротивления материала, надежность конструкции и условия работы, благодаря чему общий коэффициент запаса получается различным для различных конструкций, более точно отражающим предельное состояние конструкции.

4 Работа материалов и элементов металлических конструкций и основы норм расчета элементов.
Виды напряжений и их учет при расчете элементов конструкций

Действительное напряженное состояние даже в простейших конструкциях довольно сложно. Напряжения в зависимости от вида подразделяются на основные, дополнительные, местные и начальные.

Основные напряжения – это напряжения, развивающееся внутри элемента конструкции в результате уравновешивания воздействия внешних нагрузок. Они определяются расчетом по усилиям, установлены для принятой идеализированной расчетной схемы без учета местных, дополнительных и внутренних напряжений. Искусственно создаваемые предварительные напряжения также относятся к основным.

Дополнительные напряжения – напряжения возникающие в результате дополнительных связей по отношению к принятой идеализированной схеме (например, защемление элементов в узлах ферм). Эти напряжения не влияют на равновесие системы в целом и в конструкциях из пластических материалов большей частью расчетом не учитываются.

К местным напряжениям относятся напряжения в местах приложения сосредоточенных нагрузок, в местах опирания других конструкций, под катками мостовых кранов в подкрановых балках, в местах крепления вспомогательных элементов. В местах с резким изменением сечения, наличием отверстий, трещин возникает местная концентрация напряжений. Концентрация напряжений при нормальной температуре и статических воздействиях расчетом не учитывается. При пониженных температурах и особенно при воздействии динамических нагрузок концентрация напряжений учитывается расчетом.

Начальными (внутренними) напряжениями называются напряжения, которые имеются в ненагруженном внешней нагрузкой элементе и которые появились в нем в результате неравномерного остывания после прокатки и сварки или в результате предшествующей работы элемента и его пластической деформации. Начальные (внутренние) напряжения не оказывают влияния на прочность элемента, поскольку результирующие напряжения выравниваются при развитии пластических деформаций. Начальные напряжения в пластичных строительных сталях при расчетах не учитываются.

Работа стали на растяжение

Связь между напряжением и удлинением образца на начальном этапе испытания следует закону Гука

s ,

где Е – коэффициент пропорциональности между напряжением и удлинением, носящий название модуля упругости и равный для стали 21000кН/см²

Геометрически модуль упругости представляет собой .

Линейная связь между напряжением и удлинением сохраняется до величины напряжений примерно 20 кН/см² и со ответствует пределу пропорциональности s_пц. Несколько выше этой точки лежит предел упругости s_уп, соответствующий такой деформации, которая практически полностью исчезает после разгрузки образца. Предел упругости ограничивает область упругой работы материала. При дальнейшей нагрузке образца модуль упругости стали уменьшается (криволинейная часть диаграммы) и при напряжении около 24 кН/см² становится равным нулю (начало горизонтального участка диаграммы). Это напряжение называется пределом текучести R_yn. В дальнейшем образец продолжает удлиняться без приложения дополнительной нагрузки, т. е. как бы «течет».

Область работы материала между напряжениями s_уп и R_yn является областью упругопластической работы. Горизонтальный участок диаграммы называется площадкой текучести. При относительном удлинении образца около 2,5% «течение» заканчивается и материал становится снова несущеспособным, он как бы самоупрочняется (область самоупрочнения).

При дальнейшем увеличении нагрузки удлинения продолжают нарастать, в образце образовывается шейка (местное сужение) и при относительном удлинении 20— 25% происходит разрыв.

Наибольшее условное напряжение, достигнутое в образце (точка R_un=40 кН/см² для стали 3), называется временным сопротивлением (пределом прочности) стали. Напряжение называется условным потому, что прикладываемую к образцу силу делят на первоначальную площадь образца без учета его сужения. Поэтому и всю диаграмму иногда называют условной.

Из диаграммы видно, что упругая область работы стали составляет примерно 1/200 часть упруго-пластической и здесь содержится большой резерв прочности.