Расчет металла под нагрузкой

Прочность металла при статическомнагружении, а также его упругие и пластические свойства определяются испытанием стандартных образцов на растяжение с записью диаграммы зависимости между напряжением σи относительным удлинением ε (Рис. 2).

Рис. 2 - Диаграмма растяжения сталей:

а - обычной прочности; б - высокопрочных; в - повышенной прочности

1 – предел пропорциональности;

2 – предел упругости σ_e;

3 – предел текучести σ_yn;

5 – временное сопротивление σ_un.

Участок 0-1 – это стадия упругой работы. В этой стадии связь между напряжением и деформациями подчиняется закону Гука: σ=Е∙ε.Деформации исчезают после снятия нагрузки. Модуль упругости: Е = tgα.

Участок 1-2 – это стадия упругопластической работы. В этой стадии пропорциональность между напряжениями и деформациями нарушается. После снятия нагрузки присутствуют остаточные деформации. При достижении точки 3 начинается текучесть материала.

Участок 3-4 – это площадка текучести, которая наблюдается только у сталей обычной прочности (Рис. 2, а). Для сталей, не имеющих площадки текучести (Рис. 2, б,в), введено понятие условного предела текучести. Развитие деформаций происходит в результате упругого деформирования и необратимых пластических сдвигов. При снятии нагрузки упругая часть деформаций исчезает, а необратимая остается, приводя к остаточным деформациям.

Участок 4-5 – это стадия самоупрочнения, в которой материал работает как упругопластический.

При достижении наибольшего сопротивления (точка 5) начинается процесс разрушения материала.

Многократное повторное нагружение может привести к разрушению при меньших напряжениях, чем временное сопротивление и даже предел текучести. Это явление называется усталостью металла, а разрушение – усталостным. Способность металла сопротивляться усталостному разрушению называется выносливостью, а напряжения, при которых происходит разрушение – вибрационной прочностью.

Сортамент стальных изделий

В строительных конструкциях применяют в основном прокатную сталь, поставляемую с металлургических заводов в виде сварных или гнутых профилей различной формы поперечного сечения и стальных листов. Профильная сталь подразделяется на сортовую (круг, квадрат, полоса, уголки) и фасонную (двутавр, швеллер и др.) (Рис. 3). Геометрические характеристики сечений (площадь сечения, момент инерции, момент сопротивления и др.) определяются по таблицам изГОСТ 26020-83, ГОСТ 8240-97, ГОСТ 8509-93 и др. Характеристики наиболее используемых профилей (уголок, тавр, швеллер) приведены в справочных данных для проектирования металлических конструкций.

Листовая сталь

а) Толстолистовая (ГОСТ 19903-74 с изм.) – применяется в листовых конструкциях и элементах сплошных систем. Толщина от 3 до 160мм; ширина от 600 до 3800 мм (ходовая ширина <2400 мм). Горячекатаная сталь поставляется в листах длиной 6 – 12 м с толщиной до 160 мм или в рулонах толщиной 1,2 – 12 мм с шириной 500 – 2200 мм. Широко применяется в листовых конструкциях и в элементах сплошных систем (балках, колоннах, рамах и т. п.)

б) Тонколистовая (ГОСТ 19904-90 для холоднокатаной, ГОСТ 19903-74 с изм. для горячекатаной) – применяется при изготовлении гнутых и штампованных тонкостенных профилей, кровельных покрытий и т. п. Из холоднокатаной оцинкованной рулонированной стали изготавливают профилированные настилы. Толщина до 4 мм.

в) Широкополочная универсальная (ГОСТ 8200-70) – имеет ровные края, поэтому ее применение снижает трудоемкость изготовления конструкций. Толщина от 6 до 60 мм, ширина от 200 до 1050 мм, длина от 5 до 12 м.

Рис. 3 – Типы профилей:

а - лист; б - уголок равнополочный; в - уголок неравнополочный; г - швеллер; д - швеллер с параллельными гранями полок; е - двутавр обычный; ж - двутавр с параллельными гранями полок; и - тавр; к - сварной двутавр; л - круглая труба; м - гнутый швеллер; н - гнутый С-образный швеллер; п - гнутый равнополочный уголок; р - гнутый неравнополочный уголок; с - гнутый уголок с отбортовками; т - Z-образный гнутый профиль; у - квадратный гнутосварной профиль; ф - прямоугольный гнутосварной профиль; х - волнообразный настил; ц - трапецеидальный профилированный лист.

Уголковые профили

Делятся на равнополочные (ГОСТ 8509-86) и неравнополочные (ГОСТ 8510-86). Площадь сечения от 1-1,5 мм² до 140 мм². Применяются в легких сквозных конструкциях. Рабочие стержни компонуются из двух или четырех уголков в симметричные сечения (Рис. 4).

Рис. 4 – Варианты компоновки прокатных уголков

Швеллеры

Геометрические характеристики сечения швеллера определяются его номером, соответствующим высоте стенки швеллера в см. Выпускают швеллеры (ГОСТ 8240-89) с наклонными гранями полок (№5 - №40) и более удобными для монтажа параллельными гранями полок. Применяются швеллеры в мощных стержневых конструкциях (мостах, большепролетных фермах и др.), колоннах, связях и профильных прогонах. Стержни, работающие на осевую силу, компонуются в симметричные сечения (Рис. 5).

Рис. 5 – Варианты компоновки швеллеров

Двутавры

а) Балки двутавровые обыкновенные (ГОСТ 8239-89) – имеют уклон внутренних граней полок и обозначаются номером (от №10 до №60), соответствующим их высоте в см. Минимальна толщина стенки из условий устойчивости равна ¹/₅₅ высоты двутавра. Применяются в изгибаемых элементах (балках), ветвях решетчатых колонн и различных опор.

б) Балки двутавровые широкополочные (ГОСТ 26020-83) – имеют параллельные грани полок. Прокатываются трех типов: нормальные (Б), широкополочные (Ш) и колонные (К) двутавры. Высота профилей (Б) и (Ш) достигает 1000 мм при отношениях ширины полок к высоте от ¹/_1,65 (при малых высотах) до ¹/_1,25 (при больших высотах). Колонных профили (К) имеют отношение ширины полок к высоте около ¹/₁. Применяются в виде самостоятельного элемента (балки, колонны, стержни тяжелых ферм).

Тонкостенные профили

Экономичнее обычных прокатных профилей на 14-20% за счет особо тонких стенок и полок. Имеют высоту от 120 до 300 мм и параллельные грани полок. Применяются в балках площадок, фахверках, в легких перекрытиях и покрытиях.

Трубы

а) Горячекатаные бесшовные (ГОСТ 8732-78) – применяются в конструкциях радио- и телевизионных опор. Имеют диаметр от 25 до 550 мм с толщиной стенок от 2,5 до 75 мм.

б) Круглые электросварные трубы (ГОСТ 10704-76)– применяются в конструкциях радио- и телевизионных опор и в конструкциях покрытий. Имеют диаметр от 8 до 1620 мм с толщиной стенки от 1 до 16 мм, либо квадратное или прямоугольное сечение с размерами соответственно от 80 до 180 мм и от 60х100 до 140х180 мм с толщиной стенки от 3 до 8 мм.

Холодногнутые профили

Изготавливаются из листа, ленты или полосы толщиной от 1 до 8 мм и имеют разнообразную форму (равнополочные, неравнополочные уголки, швеллеры и др.). Применяютс в легких конструкциях покрытий зданий, могут дать экономию металла до 10%, заменяя прокатные профили .

Контрольные вопросы:

    1. Свойства стали.

    2. Марки сталей.

    3. Область применения стали.