В работе [33] учет осесимметричного начального искривления и развития пластических де формаций сведен к расчету за пределом упругости внецентренно-сжатого стержня, лежащего на упругом основа нии. При этом показано, что для оболочек малой и средней гибкости учет неупругой работы материала оказывает существенное влияние на предельную нагрузку при потере устойчивости. С использова нием некоторых допущений получена расчетная формула (127) в СНиП РК 5.04-23-2002 для практических расчетов оболочек при достаточно малых значениях r/t.
В случае комбинации осевого сжатия круговой цилиндрической оболочки с внутренним равномер ным давлением критическое значение осевых напря жений повышается. Для практических расчетов можно пользоваться рекомендациями Фына и Зехлера[34], применимыми к оболочкам, теряющим устойчивость в пределах упругости. Осевое крити ческое напряжение ??cr определяется по формуле
??cr = ??cr1 + 0,19 ??θ, (91)
но принимается не более чем ??cr1 + 0,23 E t / r,
где ??cr1 = c E t / r - осевое критическое напряжение при отсутствии внутреннего давления;
??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 ??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 ??cr ?? 0,8 Rу.
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 ??1 оп ределять по формуле:
??1 = ?? , (92)
где ?? = 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 /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 ??тах (или амплитуда напряже ний ??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 ?? тах . Существует и другой подход, согласно которому основное влияние на усталостное разрушение оказывает амплитуда на пряжений цикла ??а = (??тах - ??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 ?? = 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
??тах ?? ?? Rv ??v , (93)
где Nb = 5 ?? 105 - базовое число циклов нагружения при расчете на малоцикло вую прочность;
N - малоцикловая долговечность элемента металлической конст рукции (при N = Nb данный расчет и расчет на выносливость по СНиП РК 5.04-23-2002 совпадают);
т,то - параметры, характеризующие угол наклона кривой малоцик ловой усталости; т = тос; то - принимается по табл. 43;
с - коэффициент, принимаемый по табл.44.
Таблица 43
|
Нормативное вре мен ное сопротивление ста ли Run, 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 то |
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 = Nb = 5 ?? 105 для 1- и 2-й групп элементов ?? = 1,52, для 3 - 8-й групп элементов ?? = 1,85.
При расчетах на малоцикловую прочность по формуле (93) значение произведения
?? Rv ??v не должно превышать Ru / ??u.
Пример расчета. Необходимо рассчитать на мало цикловую прочность горизонтальный газгольдер вместимостью , наружным диаметром d = , длиной . Газгольдер изготовлен из листовой стали СтЗ [??b = 450 МПа (4600 кгс/см2)] толщиной стенки в цилиндрической части t = , сферических днищ - . 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 ??max = 110 МПа (в направле нии, перпендикулярном шпангоуту).
По СНиП РК 5.04-23-2002 определяется сопротивление усталости Rnv при N = Nb = 5??105 циклов. Для это го вычисляются коэффициенты ?? и ??v:
?? = 0,07 + 2,2 = 1,85; ??v = = 1,67;
Rv = 36 МПа (370 кгс/см2), табл. 33 СНиП РК 5.04-23-2002.
Таким образом, при N = Nb = 5 ?? 10s циклов Rnv = Rv ?? ??v = 36 ?? 1,85 ?? l,67 = 111 МПа (1130 кгс/см2).
Далее определяется параметр т:
m = mo с.
Параметр mо для данной стали равен 0,18, а ко эффициент с для 7-й группы соединений соответст вует 0,65, т.е. m = mос = 0,117.
Определяется сопротивление усталости при экс плуатационном числе циклов нагружений N = 4 ??104:
Rnv = 110 = 149 МПа (1520 кгс/см2) ?? ??max = 110 МПа (1120 кгс/см2).
Следовательно, сопротивляемость малоциклово му разрушению обеспечена: 110 < 149; второй вид - кольцевой сварной шов на сфери ческой поверхности (5-я группа соединений). В рас считываемом элементе при внутреннем давлении, равном 11 ати, нормальные напряжения ??max = 110 МПа (1120 кгс/см2).
В этом случае Rv = 60 МПа (610 кгс/см2) - табл.33 СНиП РК 5.04-23-2002.
Таким образом, при N = Nb = 5 ?? 105 циклов параметр m = mo с c учетом коэффициента с = 0,72 для 5-й группы соединений (см. табл. 44) будет равен 0,13.
Сопротивление усталости при эксплуатационном числе циклов нагружений N = 4??104 равно:
Rnv = 60??1,85??1,67 = 256 МПа (2600 кгс/см2) ?? ??max = 110 МПа (1120 кгс/см2).
Сопротивляемость малоцикловому разрушению обеспечена: 110 ?? 256.
10 РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ПРОЧНОСТЬ С УЧЕТОМ ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ
10.1 Основными факторами, влияющими на склонность стальных конструкций к хрупкому раз рушению, являются:
- температура и характер ее изменения в процессе эксплуатации;
- концентрация напряжений, зависящая от кон структивной формы элемента или узла;
- толщина элементов, с увеличением которой воз растает степень объемности напряженного состоя ния, а также другие геометрические размеры узлов и конструкций в целом (масштабный фактор, оп ределяющий запас упругой энергии, накапливаемой в системе);
- характер нагружения (наличие ударных или цик лических нагрузок, создающих условия для по степенного и скрытого накопления повреждений в металле);
- уровень растягивающих напряжений и степень неоднородности эпюры напряжений (например, из гиб, внецентренное растяжение);
- качество стали (степень раскисления, размер зерна, количество вредных элементов: фосфор, сера, азот, кислород, водород).
Ввиду значительного числа факторов, способст вующих переходу стали в хрупкое состояние, раз рушение конструкций имеет вероятностный харак тер. Поэтому основные мероприятия по предупреж дению хрупкого разрушения (рекомендации по вы бору марок стали, указания по конструированию) дополнены поверочным расчетом для ряда конст руктивных форм пониженной хладостойкости с целью снизить вероятность их разрушения.
10.2 В основу методики расчета на прочность с учетом хрупкого разрушения положены данные о прочности конструктивных форм пониженной хла достойкости. Снижение прочности в области клима тических температур характеризуется коэффициен том ??. Величина коэффициента ?? меняется в зависи мости от толщины элемента в расчетном сечении, уровня прочности стали и расчетной температуры района строительства. Температура эксплуатации конструкций учитывается дополнительно в соот ветствии с п. 2.1 СНиП РК 5.04-23-2002.
10.3 При расчете на прочность с учетом хрупкого разрушения максимальные растягивающие нап ря жения, действующие в расчетном сечении по пло щади „нетто", принимаются без учета коэф фициента динамичности, поскольку динамический характер импульса, не учитываемого в расчетах, учтен приня той величиной коэффициента ??, установленной в табл.84 СНиП РК 5.04-23-2002.
10.4 Расчет на прочность с учетом хрупкого разрушения не распространяется на конструкции, содержащие дефекты, превышающие нормы [12].
11 РАСЧЕТ СОЕДИНЕНИЙ
11.1 Сварные соединения
Положения для расчета сварных соединений изложены в [36], в котором приведены:
- обоснование назначения расчетных сопротивле ний;
- обоснование необходимости применения свароч ных материалов, обеспечивающих высокую проч ность металла шва;
- таблицы расчетных сечений, по которым произ водится проверка прочности соединений с угловыми швами в зависимости от соотношения прочностных свойств металла шва и основного металла;
- таблицы предельных усилий на сварные соеди нения с угловыми швами;
- данные для расчета тавровых соединений с угло выми швами;
