Пособие по проектированию стальных конструкций

s_cr = s_cr1 + 0,19 s_θ, (91)

но принимается не более чем s_cr1 + 0,23 E t / r,

где s_cr1 = c E t / r - осевое критическое напряжение при отсутствии внутреннего давления;

s_θ = q r / t - окружное напряжение от внут реннего давления.

Формулой (91) можно пользоваться при комби нации внецентренного сжатия с внутренним давле нием. В этом случае под s_cr1 понимается соответст вующее значение, принимаемое согласно п. 8.5 СНиП РК 5.04-23-2002. Следует подчеркнуть, что указанный способ применим лишь в пределах упругости, т. е. при s_cr £ 0,8 R_у.

8.3 (8.6) Формула (128) СНиП РК 5.04-23-2002 отно сится к случаю, когда на сжатый или сжато-изгибае мый трубчатый стержень действует расчетная нагрузка, определяемая в соответствии с требова ниями разд. 5 СНиП РК 5.04-23-2002. Если проверка по этим требованиям дает запас несущей способности, превышающий 20%, то ограничение по формуле. (128) СНиП РК 5.04-23-2002 можно снять и оболочку в этом случае необходимо рассчитывать на устойчи вость при сжатии с изгибом согласно требованиям п. 8.5 СНиП РК 5.04-23-2002, а расчетное напряжение s₁ оп ределять по формуле:

s₁ = s , (92)

где s = N / A - расчетное осевое напряжение;

т = 2 e / r - относительный эксцентриситет [е = M / N; М - расчетный мо мент; в случае осевого сжатия значение е следует принимать по формуле (20) ];

= - условная гибкость трубчатого сечения ( l = l /i).

8.4 (8.8) Требование проверки устойчивости кольцевых ребер в своей плоскости как сжатых стержней и получаемые при этом их размеры ис ходят из того, что ребра являются жесткими эле ментами, обеспечивающими образование узловой линии по окружности оболочки.

В ряде случаев рассматриваемые конструкции могут рассчитываться как оболочки, подкреплен ные гибкими шпангоутами [26], при этом указан ные требования для кольцевых ребер жесткости могут быть несколько смягчены.

9 РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ВЫНОСЛИВОСТЬ

9.1 Общие положения

9.1.1 (9.1) Выносливость стальных конструкций зависит от ряда факторов. Главными из них явля ются:

- величина максимального напряжения в рассчиты ваемом элементе s_тах (или амплитуда напряже ний s_а) ;

- концентрация напряжений, зависящая от кон струкции элемента и типа соединений (группа элементов);

- характер циклической нагрузки (стационарная, нестационарная);

- число циклов нагружений за период эксплуатации конструкций;

- температура эксплуатации конструкции и т. п.

9.1.2 (9.2) Методика расчета на выносливость СНиП РК 5.04-23-2002 исходит из того, что явления уста лости в элементе возникают под воздействием мак симальных напряжений s _тах . Существует и другой подход, согласно которому основное влияние на усталостное разрушение оказывает амплитуда на пряжений цикла s_а = (s_тах - s_min)/2. Поскольку обе методики опираются на одни и те же экспери ментальные данные и являются их аппроксимацией, конечные результаты, получаемые при их использо вании, мало отличаются друг от друга.

9.1.3 (9.2) Применение сталей повышенной и вы сокой прочности в конструкциях, подверженных циклическим воздействиям, является оправданным только при отсутствии в них существенных концен траторов напряжений (1- и 2-я группы элементов табл. 83 СНиП РК 5.04-23-2002). В остальных случаях (3 - 8-я группы элементов табл. 83СНиП РК 5.04-23-2002) применение сталей с повы шен ными прочностными показателями к повышению выносливости не ве дет и потому их применение должно иметь соответ ствующее инженерное и экономическое обосно вание.

9.1.4 (9.2) Подавляющее большинство строитель ных конструкций, работающих на переменные воз действия, находится в условиях изменчивости на пряжений во времени (амплитуда напряжений во времени не является постоянной), т. е. режим на грузок (и напряжений) не является стационарным.

Учет нестационарности нагрузок позволяет на 10 - 20 % повысить расчетную выносливость [правая часть формулы (142) СНиП РК 5.04-23-2002] для всех групп элементов [влияние нестаци онарности при ближенно учтено при назначении числовых коэффи циентов в формулах (143) и (144) СНиП РК 5.04-23-2002].

9.1.5 Эксплуатация конструкций при температуре до минус 40° С не снижает выносливости сталь ных конструкций.

При более низких температурах эксплуатации требуются специальные мероприятия по повы шению выносливости конструкций: применение сталей, удовлетворяющих требованиям по ударной вяз кости; исключение соединений с наиболее острыми концентраторами напряжений (7 и 8-й групп эле ментов); применение технологических мероприя тий по повышению выносливости сварных соеди нений (механическая обработка швов, оплавление их в струе аргона и т. п.).

9.2 Расчет на малоцикловую прочность

9.2.1 (9.3) Расчет металлических конструкций на малоцикловую прочность ведется на переменные усилия при наличии спектра эксплуатационных нагрузок и распространяется на металлические кон струкции, эксплуатирующиеся при пониженных (до минус 40° С), нормальных и повышенных (до 250° С) температурах.

9.2.2 (9.3) Срок эксплуатации металлических кон струкций и спектр действующих эксплуатационных нагрузок должны быть заданы при их проектировании. Примеры спектра переменных нагрузок приве дены в табл. 42 (газгольдеры аэродинамических труб) при коэффициенте асимметрии r = 0.

Таблица 42

Давление, % от р

Число нагружений

Частота нагружений, %

100

2

0,01

85

21

0,1

70

299

1,5

54

881

4,4

37

897

4,5

28

17930

89,5

Итого:

N = 2 × 10⁴

100,0

Для воздухонагревателей доменных печей цикл изменения внутреннего давления от 0 до p остается постоянным и за 20 лет эксплуатации составляет 5 × 10⁴.

Магистральные газо- и нефтепроводы за 20 лет эксплуатации испытывают 7 × 10³ циклов с измене нием давления от 0 до р.

9.2.3 (9.3) Проверка малоцикловой прочности ос новного металла элементов или соединений на свар ке, болтах или штырях для 5 × 10⁵ циклов произво дится по формуле

s_тах £ a R_v g_v , (93)

где N_b = 5 × 10⁵ - базовое число циклов нагружения при расчете на малоцикло вую прочность;

N - малоцикловая долговечность элемента металлической конст рукции (при N = N_b данный расчет и расчет на выносливость по СНиП РК 5.04-23-2002 совпадают);

т,т_о - параметры, характеризующие угол наклона кривой малоцик ловой усталости; т = т_ос; т_о - принимается по табл. 43;

с - коэффициент, принимаемый по табл.44.

Таблица 43

Нормативное вре мен ное сопротивление ста ли R_un, МПа (кгс/см²)

До 390 (4000)

Св.390 (4000)

до 450 (4600)

Св.450 (4600)

до 490 (5000)

Св.490 (5000) до 540 (5500)

Св.540 (5500) до 590 (6000)

Св.590 (6000)

Параметр т_о

0,16

0,18

0,20

0,22

0,24

0,26

Таблица 44

Группа элементов по СНиП РК 5.04-23-2002

1

2

3

4

5

6

7

8

Коэффициент c

1,0

0,90

0,80

0,75

0,72

0,68

0,65

0,62

Остальные обозначения принимаются по п. 9.2 СНиП РК 5.04-23-2002.

При N = N_b = 5 × 10⁵ для 1- и 2-й групп элементов a = 1,52, для 3 - 8-й групп элементов a = 1,85.

При расчетах на малоцикловую прочность по формуле (93) значение произведения

a R_v g_v не должно превышать R_u / g_u.

Пример расчета. Необходимо рассчитать на мало цикловую прочность горизонтальный газгольдер вместимостью 178 м³, наружным диаметром d = 3250 мм, длиной 23 м. Газгольдер изготовлен из листовой стали СтЗ [s_b = 450 МПа (4600 кгс/см²)] толщиной стенки в цилиндрической части t = 16 мм, сферических днищ - 10 мм. Газгольдер нагружается пульсирующим давлением до 11 ати с эксплу атационным числом циклов 4×10⁴. Эксплуа тация газгольдера производится при нормальной температуре.

Для проверочного расчета выбраны два вида сварного соединения:

первый вид - основной металл над шпангоутом (7-я группа соединений по СНиП РК 5.04-23-2002). При рабочем давлении 11 ати нормальное напряжение в основном металле s_max = 110 МПа (в направле нии, перпендикулярном шпангоуту).

По СНиП РК 5.04-23-2002 определяется сопротивление усталости R_nv при N = N_b = 5×10⁵ циклов. Для это го вычисляются коэффициенты a и g_v:

a = 0,07 + 2,2 = 1,85; g_v = = 1,67;

R_v = 36 МПа (370 кгс/см²), табл. 33 СНиП РК 5.04-23-2002.