Нормативные и расчетные сопротивления при растяжении сжатии

Расчеты на прочность стержней и других элементов конструкций составляют одну из основных задач сопротивления материалов. Целью этих расчетов является обеспечение надежной и безопасной работы элементов конструкций и сооружений в течение всего периода эксплуатации при минимальном расходе материала.

Расчеты на прочность производятся на основе определенных методов, позволяющих сформулировать условия прочности элементов конструкций при различных воздействиях.

Основным методом расчета на прочность элементов строительных конструкций является метод предельных состояний. В этом методе значения всех нагрузок, действующих на конструкцию в течение всего периода ее эксплуатации, разделяются на нормативные и расчетные. Нормативные значения нагрузок характеризуют их действие на конструкцию при нормальных условиях ее эксплуатации. Это собственный вес конструкции, атмосферные воздействия снега, ветра, вес технологического оборудования, людей и т.п. Нормативные значения нагрузок приведены в строительных нормах и правилах (СНиП).

Расчетные значения нагрузок Рр определяются путем умножения нормативных значений Рн на коэффициенты надежности по нагрузке уу-:

С помощью коэффициентов производится учет возможного отклонения нагрузок от их нормативных значений в неблагоприятную для работы конструкции сторону. Значения коэффициентов надежности по нагрузке устанавливаются нормами проектирования с учетом различных факторов в пределах от 1,05 до 1,4.

В качестве основного параметра, характеризующего сопротивление материала конструкции различным воздействиям, принимается нормативное сопротивление RH, соответствующее значению предела текучести для пластичных материалов или временного сопротивления для хрупких материалов. Последние определяются с помощью механических испытаний.

При оценке прочности элементов конструкций величина нормативного сопротивления материала должна быть уменьшена за счет различных неблагоприятных факторов (например, ухудшения качества материала). Для этого вводится расчетное сопротивление, которое определяется по формуле

где ут — коэффициент надежности по материалу, изменяющийся в различных пределах в зависимости от физико-механических свойств материала. Например, для стали он изменяется в пределах от 1,025 до 1,15.

Кроме того, в условие прочности вводится коэффициент условий работы ус, с помощью которого учитываются конструктивные особенности и виды нагружения сооружений. Коэффициент ус может быть больше или меньше единицы.

Величины нормативных и расчетных сопротивлений и значения коэффициентов ур ут и ус приведены в соответствующих разделах строительных норм и правил (СНиП).

Условие прочности стержня при растяжении и сжатии, согласно методу предельных состояний, имеет следующий вид:

где N — продольная сила в стержне, вычисленная от действия расчетных нагрузок; F — площадь поперечного сечения стержня.

Условие (3.27) обычно ставится для сечения стержня, в котором действуют наибольшие нормальные напряжения.

С помощью условия прочности (3.27) можно выполнить подбор сечения стержня, т.е. определить размеры поперечного сечения или установить номер прокатного профиля по сортаменту, а также определить грузоподъемность стержня или стержневой системы. Подбор сечения стержня выполняется по формуле

При расчете на прочность элементов машиностроительных конструкций используется метод расчета по допускаемым напряжениям. В этом методе внутренние усилия и напряжения в элементах конструкции вычисляются от действия нормативных нагрузок, допускаемых при нормальной эксплуатации данной конструкции. Сопротивление материала различным воздействиям характеризуется допускаемым напряжением [а], которое определяется по формулам: для хрупких материалов

для пластичных материалов

где пви пт — коэффициенты запаса прочности по отношению к временному сопротивлению ов и пределу текучести от.

Коэффициенты запаса принимаются с учетом целого ряда факторов, таких как физико-механические свойства материала, условия работы конструкции, характер действия нагрузок и т.п.

Величины допускаемых напряжений [о] для различных материалов приведены в соответствующих нормативных документах.

Условие прочности стержня при растяжении и сжатии по методу допускаемых напряжений имеет следующий вид:

С помощью условия (3.31) можно также решать задачи подбора сечения стержня и определения грузоподъемности.

Пример 3.9. Жесткая балка АВ нагружена сосредоточенной силой и поддерживается с помощью стержня CD (рис. 3.24). Подберем сечение стержня в виде двух стальных прокатных равнобоких уголков и в виде двух стальных тяг круглого сечения. В расчетах примем нормативное значение силы Рн = 100 кН, yf= 1,4, ус = 1,0, R = 210 МПа = 21 кН/см2.

Определим расчетное значение силы:

Определим с помощью уравнения равновесия расчетное значение продольной силы в стержне CD:

Вычислим значение требуемой по условию прочности площади поперечного сечения стержня:

В первом варианте принимаем по сортаменту сечение стержня в виде двух равнобоких уголков (рис. 3.25, а) _|1_56х56х5. Площадь поперечного сечения стержня равна F= 2 • 5,41 = 10,82 см2.

Во втором варианте определяем требуемый диаметр сечения каждого стержня (рис. 3.25, б):

Рис. 3.24

Рис. 3.25

Округлив в большую сторону, примем D = 2,6 см.

Определим для первого варианта сечения значения напряжений в поперечном сечении стержня:

Прочность стержня обеспечена с небольшим запасом.

Пример 3.10. Стержневая система состоит из жесткой балки АВ, имеющей шарнирно-неподвижную опору С, и двух стержней BD и АЕ, поддерживающих балку (рис. 3.26). К балке приложена сила Р, нормативное значение которой равно 300 кН. Определим усилия в стержнях и подберем их сечения в виде двух стальных прокатных равнобоких уголков. В расчетах примем соотношение между площадями поперечных сечений стержней F2/F] = 1,3, yf = 1,2, ус = 1,0, R = 210 МПа = 21 кН/см2.

Расчетное значение силы Р равно Рр = 300 • 1,2 = 360 кН.

Данная стержневая система является статически неопределимой, поскольку для определения четырех неизвестных величин /V,, N2, Rcи Нсможно составить только три независимых уравнения статики. Используем уравнение равновесия относительно усилий в стержнях /V, и N2. Учитывая, что г, = 3 sin 30° = 1,5 м, получим

Для получения дополнительного уравнения относительно N{ и N2 рассмотрим схему деформации системы. При повороте жесткой балки АВ на малый угол у (рис. 3.27) удлинения стержней составят:

Рис. 3.26

Рис. 3.27

Определим из подобия треугольников АА’С и В В’ С соотношение между величинами А/, и Д/2:

Выражаем величины удлинений стержней через действующие в них усилия и составляем дополнительное уравнение относительно N, и N2:

где /j = 3/cos 30° = 3,46 ми /2 = 1,5 м — длины стержней.

Подставляем соотношение между усилиями в уравнение равновесия и определяем величины усилий в стержнях:

Определяем требуемые по условию прочности площади поперечных сечений стержней:

Проверим выполнение принятого в начале расчета соотношения между площадями F{ и F2:

Поскольку принятое соотношение не выполняется, при подборе сечений стержней надо увеличить требуемую площадь поперечного сечения первого стержня и принять ее равной

Принимаем по сортаменту сечения стержней в виде двух стальных прокатных равнобоких уголков, определяем действующие в стержнях напряжения и проверяем их прочность. Стержень BD (2|_75х75х8)

Стержень (2L 110x110x7)

Прочность стержней обеспечена.

Пример 3.11. Для данной системы (рис. 3.28) определим величину допустимой силы Р из условий прочности стержней Л В и ВС. Определим усилия и напряжения в стержнях. В расчетах примем R = 220 МПа = 22 кН/см2 иус = 0,9.

Рис. 3.28

Составим уравнения равновесия:

Определим площади поперечных сечений стержней и выразим действующие в них напряжения через силу Р:

Напряжения в стержне АВ являются большими по величине. Определим из условия прочности этого стержня величину силы Р:

Примем Р = 245 кН и вычислим значения усилий и напряжений в стержнях:

Прочность стержней обеспечена.

Пример 3.12. Для латунного стержня ступенчато-постоянного сечения (рис. 3.29, а) определим величину силы .Риз условия прочности стержня. Определим напряжения в пределах каждого участка стержня. В расчетах используем метод допускаемых напряжений, приняв [о] = 80 МПа = 8 кН/см2.

Площади поперечных сечений стержня равны:

Строим эпюру продольных сил (рис. 3.29, б). Определяем нормальные напряжения в пределах участков стержня и выражаем их через силу Р.

Первый участок

Второй участок

Рис. 3.29

Эпюра о приведена на рис. 3.29, в. Ставим условие прочности по напряжениям на первом участке и определяем величину Р:

Примем Р = 40 кН и определим усилия и напряжения в стержне:

Любая бетонная конструкция должна переносить определенные в технической документации нагрузки в течение длительного времени без разрушений. В строительных проектах указываются основные характеристики, к которым относятся плотность, показатели расчетного сопротивления бетона, морозоустойчивость, водонепроницаемость. Проблема состоит в том, что даже самый качественный бетон неоднороден. Элементы имеют различные геометрические размеры и сечения, поэтому разные участки сооружения могут иметь неодинаковые свойства. Для уточнения характеристик материала вводится методика вычисления прочности.

Что такое расчетное сопротивление?

Расчетное сопротивление бетонной смеси – характеристика отражающая свойство материала противостоять внешним механическим нагрузкам. Его применяют при проектировании зданий и сооружений. Данный показатель получают из нормативных значений противодействия конкретной марки раствора делением на специальный коэффициент.

Этот коэффициент, применяемый для вычисления расчетного сопротивления бетона на сжатие обозначается γb и может принимать значения:

• 1,3 – для максимальных возможных величин по несущей способности;
• 1 – для максимальных значений по пригодности к эксплуатации.

Коэффициенты надежности материала при механическом растяжении обозначаются γbt, они могут быть равны:

• 1,5 – для максимальных показателей несущей способности во время определения класса на сжатие;
• 1,3 – для максимальных значений несущей способности на осевое растяжение;
• 1 – для максимальных величин по пригодности к эксплуатации.

Классы бетонов обозначаются от В10 до В60, значения их нормативного противодействия приводятся в специальных таблицах.

Как получить расчетное сопротивление?

Для получения расчетного сопротивления бетона по осевому сжатию определяется класс материала, из таблицы берутся его нормативные данные и производится вычисление по формуле:

Rb=Rbn/γb,

где Rb – расчетные данные на осевое сжатие, множитель Rbn – нормативные , γb – коэффициент.

Аналогично рассчитывают расчетное сопротивление бетона осевому растяжению:

Rbt=Rbtn/γbt,

где Rbt – расчетные значения на осевое растяжение, множитель Rbtn – нормативные показатели на растяжение, γbt – коэффициент для растяжения.

Учитывая условия, в которых будут эксплуатироваться бетонные конструкции, вводятся и другие коэффициенты γbi, учитывающие эти особенности:

• для непродолжительных статических нагрузок 1;
• для длительных статических нагрузок 0,9;
• элементы, заливаемые вертикально 0,9;
• коэффициенты, отражающие климатические особенности, назначение сооружения, площадь сечения указываются в документации отдельно.

СНиП 2.05.03-84*. Мосты и трубы. Часть 10

Расчетные сопротивления проката для различных видов напряженных состояний следует определять по формулам, приведенным в табл. 48*.

Таблица 48*

Напряженное состояние

П р и м е ч а н и е. gm — коэффициент надежности по материалу, определяемый в соответствии с п. 4.7*.

4.7*.

Значения коэффициента надежности gm по материалу проката следует принимать по табл. 49*.

Таблица 49*

Нормативные и расчетные сопротивления проката из сталей по ГОСТ 6713—91, сталей марок 390-14Г2АФД, 390-15Г2АФДпс по ГОСТ 19281—89 и стали марки 40Х13 по ГОСТ 5632—72 следует принимать по табл. 50*.

Таблица 50*

1 За толщину фасонного проката следует принимать толщину полки.

2 За нормативные сопротивления приняты минимальные значения предела текучести и временного сопротивления, приведенные в ГОСТ 6713—91 в кгс/мм2. Нормативные сопротивления в МПа вычислены умножением соответствующих величин на множитель 9,80665 и округлением до 5 МПа.

3 Здесь указаны расчетные сопротивления растяжению, сжатию и изгибу Ry и Ru. Остальные расчетные сопротивления определяются по формулам табл. 48*.

Значения расчетных сопротивлений получены делением нормативных сопротивлений на коэффициент надежности по материалу, определяемым по табл. 49*, и округлением до 5 МПа.

Расчетные сопротивления проката по ГОСТ 535—88, ГОСТ 14637—89 и ГОСТ 19281—89 следует принимать равными пределу текучести, указанному в этих стандартах, поделенному на коэффициент надежности по материалу gm по табл. 49*.

4.8.

Расчетные сопротивления отливок из углеродистой и легированной сталей следует принимать по табл. 51*.

Таблица 51*

4.9.

Расчетные сопротивления поковок из углеродистой и легированной сталей следует принимать по табл. 52*.

Таблица 52*

Окончание табл. 52*

4.10.

Расчетные сопротивления сварных соединений для различных видов соединений и напряженных состояний следует определять по формулам, приведенным в табл. 53.

Таблица 53

П р и м е ч а н и я: 1. Для швов. выполняемых ручной сваркой, значения Rwun следует принимать равными значениям временного сопротивления разрыву металла шва. указанным в ГОСТ 9467—75*.

2. Для швов, выполняемых автоматической или полуавтоматической сваркой, значения Rwun следует принимать по разд. 3 СНиП II-23-81*.

3. Значение коэффициента надежности по материалу шва gwm следует принимать равным 1,25.

Расчетные сопротивления стыковых соединений элементов из сталей с разными расчетными сопротивлениями следует принимать как для стыковых соединений из стали с меньшим значением расчетного сопротивления.

Расчетные сопротивления металла швов сварных соединений с угловыми швами следует принимать по прил. 2. СНиП II-23-81*.

4.11*.

Расчетные сопротивления одноболтовых соединений следует определять по формулам, приведенным в табл. 54*.

Таблица 54*

Расчетные сопротивления срезу и растяжению болтов следует принимать по табл. 55*.

Таблица 55*

Расчетные сопротивления смятию элементов, соединяемых болтами, следует определять по прил. 2 СНиП II-23-81*.

4.12*.

Расчетное сопротивление растяжению фундаментных (анкерных) болтов Rba следует определять по формуле

Rba = 0,4 Run . (138)

Расчетные сопротивления растяжению фундаментных (анкерных) болтов следует принимать по табл. 56*.

Таблица 56*

Нормативное сопротивление

До 2001 года единственной характеристикой бетона указывающей на противодействие механической силе, считалась марка, обозначавшаяся буквой «М». Теперь, согласно СНиП 2.03.01 введена другая характеристика, так называемый класс прочности, обозначающаяся буквой «В». Для определения свойств железобетонных и бетонных конструкций были предложены нормативы, согласно СП 52-101-2003.

Для определения класса раствор заливают в куб с ребром 150 мм. Уплотняют его в форме и дают полностью затвердеть при температуре 18-20ºС в течение 28 суток. После этого образец поступает на испытание, и разрушается на специальном прессе. Сопротивление бетона осевой нагрузке, выраженное в МПа и является свойством, по которому определяется данная характеристика. Иногда для определения класса берется призменный образец, высота которого в четыре раза больше ребра основания.

Дополнительно образец подвергается проверке на осевое растяжение, который тоже необходимо учитывать при проведении вычислений.

При правильном определении класса не требуется делать дополнительных испытаний, поскольку они уже занесены в специализированные таблицы.

Используя эти таблицы можно, имея данные на сжатие, сразу определить показатели и на растяжение. По ним ясно видно – этот параметр для любого бетона на растяжение гораздо меньше, чем на сжатие, это обязательно учитывается при проектировании.

Эти параметры для различного класса прочности сводятся в специальную таблицу. Значения могут меняться в зависимости от условий определяемых соответствующими коэффициентами:

Из таблицы видно, что расчетное значение ниже нормативного, поскольку учитывает сторонние факторы, тип воздействия на бетонную конструкцию, возможную неоднородность материала, центр тяжести контура.

При определении противодействия бетона силовому воздействию учитывается его деформация. Для этого берется начальный параметр данной величины и делится на коэффициент, включающий в себя ползучесть, а также поперечную деформацию массива, его температурную деформацию в диапазоне -40 — +50ºС. При вычислении свойств напряженно деформированного элемента используют специальные диаграммы, демонстрирующие предельную нагрузку в зависимости от сечений и расположения детали и вида материала. Эта методика позволяет рассчитывать факторы, приводящие к появлению трещин.

График Зависимости напряжений от деформаций

При определении характеристик железобетонных конструкций применяют методику моделирования наклонных сечений. Учитывается толщина и тип арматуры, отдельно рассчитывается ее прочность.

( 1 оценка, среднее 4 из 5 )