Пособие по проектированию стальных конструкций

Таким образом, при N = N_b = 5 × 10^s циклов R_nv = R_v a g_v = 36 × 1,85 × l,67 = 111 МПа (1130 кгс/см²).

Далее определяется параметр т:

m = m_o с.

Параметр m_о для данной стали равен 0,18, а ко эффициент с для 7-й группы соединений соответст вует 0,65, т.е. m = m_ос = 0,117.

Определяется сопротивление усталости при экс плуатационном числе циклов нагружений N = 4 ×10⁴:

R_nv = 110 = 149 МПа (1520 кгс/см²) > s_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 s_max = 110 МПа (1120 кгс/см²).

В этом случае R_v = 60 МПа (610 кгс/см²) - табл.33 СНиП РК 5.04-23-2002.

Таким образом, при N = N_b = 5 × 10⁵ циклов параметр m = m_o 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:

R_nv = 60×1,85×1,67 = 256 МПа (2600 кгс/см²) > s_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 b. Величина коэффициента b 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 b, 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;

- примеры расчета сварных соединений.

11.2 Болтовые соединения

11.2.1 Болтовые соединения без контролируемого натяжения

11.2.1.1 Для болтов класса прочности 10.9 и высоко прочных расчетные сопротивления срезу и растяжению следует определять по тем же формулам табл. 5 СНиП РК 5.04-23-2002, что и для болтов класса прочности 8.8.

Расчетные сопротивления срезу R_bs и растяжению R_bt болтов класса прочности 10.9 и высокопрочных приведены в табл. 45.

Таблица 45

Напряженное состояние

Условное

обозначение

Расчетное сопротивление, МПа (кгс/см²), болтов

класса прочности 10.9

высоко прочных с

R_bun =1100 МПа (110 кгс/мм²)

Срез

Растяжение

R_bs

R_bt

400 (4000)

500 (5000)

440 (4400)

550 (5500)

Предельные усилия болтов на растяжение, срез и смятие элементов приведены в табл. 46.

Таблица 46

Класс

прочности

болта

Напряженное состояние

Временное сопротивле ние стали, МПа(кгс/мм²)

Предельное усилие, кН, одного болта (на срез - на одну плоскость) диаметром, мм

16

20

22

24

27

30

36

42

48

5.6

Растяжение Срез

-

-

33,0 34,4

51,4 53,7

-

73,9 77,3

-

-

-

-

-

5.8

Растяжение Срез

-

-

31,4 36,2

49,0 56,5

-

70,4 81,3

-

-

-

-

-

8.8

Растяжение Срез

-

-

62,8 57,9

98,0 90,4

-

141,0 130,0

-

-

-

-

-

10.9

Растяжение Срез

-

-

78,5 72,4

122 113

151

137

176,0 163,0

-

-

-

-

-

110

(по ГОСТ 22353)

Растяжение Срез

-

-

-

-

135 124

167 150

194,0 179,0

252 226

308 280

454 402

616 548

809

717

110

(по ТУ 14-4-1345-85)

Растяжение Срез

-

-

-

-

135 97,0

167 117

194,0 141,0

252 180

308

224

454 321

616 441

809 582

Все классы

прочности

Смятие с учетом

g _b = 0,9,

рассчитанное по формуле (155)

СНиП РК

5.04-23-2002

(S_t = 10 мм)

345 (35)

58,3

72,9

80,2

87,5

98,4

110

131

153

175

355 (36)

60,5

75,6

83,2

90,7

102

113

136

159

181

365 (37)

63,4

79,2

87,1

95,0

107

119

143

166

190

370 (38)

64,8

81,0

89,1

97,2

109

122

146

170

194

380 (39)

67,7

84,6

93,1

102

114

127

152

178

203

390 (40)

69,8

87,3

96,0

105

118

131

157

183

210

400 (41)

73,9

90,9

100

109

123

136

164

191

218

410 (42)

75,6

94,5

104

113

128

142

170

198

227

420 (43)

78,3

97,9

108

118

132

147

176

206

235

430 (44)

81,4

102

112

122

137

153

183

214

244

440 (45)

84,4

105

116

127

142

158

190

222

253

450 (46)

87,3

109

120

131

147

164

196

229

262

460 (47)

90,2

113

124

135

152

169

203

237

271

470 (48)

93,4

117

129

140

158

175

210

245

280

480 (49)

96,5

121

133

145

163

181

214

253

289

490 (50)

99,5

124

137

149

168

187

224

261

295

500 (51)

103

127

142

154

174

193

232

270

302

510 (52)

106

133

146

159

179

199

239

279

319

520 (53)

110

137

151

164

185

205

247

288

329

530 (54)

113

141

155

169

191

212

254

296

339

540 (55)

116

145

160

175

196

218

262

305

349

550 (56)

120

150

165

180

202

225

270

314

359

560 (57)

123

154

170

185

208

231

278

324

370

570 (58)

127

159

174

190

214

238

285

333

381

580 (59)

130

163

179

196

220

245

294

342

391

11.2.1.2 При расчете многоболтовых соединений без контролируемого натяжения по формулам (154), (155) СНиП РК 5.04-23-2002 следует учитывать коэффици енты условий работы соединений

g_b = g_b1 g_b2 . (94)

При определении расчетного усилия N_b, которое может быть воспринято одним болтом многоболто вого соединения при расчете на срез и смятие, для болтов класса точности А g_b1 = 1, для болтов клас сов точности В и С g_b1 = 0,9. В расчете на смятие соединяемых элементов конструкций из стали с пределом текучести до 380 МПа (3900 кгс/см²) при расстояниях: а (вдоль усилия от края элемента до центра ближайшего отверстия), равном или больше 2d, и b (между центрами отверстий), равном или больше 2,5d (d - диаметр отверстия), коэффициент g_b2 = 1. При а = l,5d, а в многоболтовом соедине нии при a = 1,5d и b = 2d g_b2 = 0,85.

При значениях а, промежуточных между 1,5d и 2d, и b - между 2d и 2,5 d g_b2 следует определять линейной интерполяцией. При этом в случае одно временного уменьшения а и b следует принимать меньшее значение g_b2.

Пример. Соединение с болтами класса точности В - g_b1 = 0,9; а = 1,8d; g_b2 = 0,94; b = 2,1d; g_b2 = 0,88.

Принимаем g_b2 = 0,88; g_b = g_b1 g_b2 = 0,9 х 0,88 = 0,792.

11.2.2 Болтовые соединения с контролируемым натяжением

11.2.2.1 Фрикционные соединения на высокопрочных болтах

Проверку прочности фрикционного соеди нения на высокопрочных болтах следует выполнять исходя из условия

T £ Q_bh = R_bh A_bn m g_b / g_h , (95)

где Т - сдвигающее усилие от учитываемых рас четных нагрузок, приходящееся на один болто контакт, определяемое в предполо жении равномерного распределения пол ной сдвигающей силы между болтами. Мо мент, действующий в плоскости соедине ния, уравновешивается парами сдвигаю щих усилий, одинаковых по величине и приходящихся на один болт (в предполо жении прямоугольных эпюр распределения усилий между болтами). Между эле ментами стыка или узла усилия распреде ляются без учета податливости фрикцион ных соединений и в предположении упру гой работы стали;

Q_bh - расчетное сдвигающее усилие, которое может быть воспринято каждой контакт ной поверх ностью соединяемых элемен тов, стянутых одним болтом;

R_bh - расчетное сопротивление высокопрочного болта растяжению при предварительном нап ряжении с обжатием пакета, принимае мое в соответствии с п. 3.7 СНиП РК 5.04- 23-2002. Расчетное сопротивление увеличено и на значено с учетом экономически оправдан ного числа болтов (1 - 2 болта из 1000), разрушающихся при натяжении с контро лируемым усилием Р = 0,7R_bun A_bn. При этом среднестатистическое значение уси лия натяжения болтов на 8 - 10 % превыша ет контролируемое;

А_bn - площадь сечения болта „нетто", принимае мая по табл. 62 СНиП РК 5.04-23-2002. Значения конт ролируемого усилия натяжения Р для высокопрочных болтов из стали 40Х „селект" приведены в табл. 47;

m - коэффициент трения, принимаемый по табл. 37 СНиП РК 5.04-23-2002 и зависящий от способа обработки (очистки) соединяемых поверхностей. Нормы регламентируют средние статистические (наиболее вероят ные) коэффициенты трения. Согласно ре зультатам исследований установлено, что коэффициенты трения не зависят от проч ности стали соединяемых элементов. В фрикционных соединениях с числом бол тов в узле до четырех, выполненных из стали с временным сопро тивлением не бо лее 370 Мпа (3750 кгс/см²), разрешается вместо газопламенной обработки исполь зовать внедряемый проволочный элемент в виде звезды, изготовленный из высоко прочной проволоки по ГОСТ 9389, ГОСТ 7372, ГОСТ 14963 в соот ветствии с табл.48.

Таблица 47

Номинальный диаметр

d_b , мм

16

20

22

24

27

Р, кН (тс)

121

189

233

271

353

(12,1)

(18,9)

(23,3)

(27,1)

(35,3)

Таблица 48

Номинальный

диаметр болта,

мм

Усилие натяжения

болта, кН (тс)

Диаметр

проволоки, мм

Длина

проволоки,

мм

Внутренний

диаметр прово лочного элемента, мм

Высота

волны, мм

Число

волн

22

233(23,3)

0,7

141

32

5

7

24

271 (27,1)

0,8

142

34

5

7

Для фрикционных соединений допускает ся обработка контактных поверхностей ротационным способом стальными шари ками [37] с коэффициентом трения m = 0,50, а также пескоструйным, дробеметным или дробеструйным способом одной поверхности, стальными щетками - дру гой поверхности с коэффициентом трения m = 0,42;

g _b - коэффициент условий работы, опреде ляемый в соответствии с п. 11.13 СНиП РК 5.04-23-2002 и учитывающий уменьше ние сдвигающего усилия, приходящегося на один болт, из-за уменьшения числа бол тов в соединении. С уменьшением числа болтов в результате неблагоприятного влияния статистического разброса усилий натяжения болтов и коэффициентов тре ния в зоне плотного контакта увеличивает ся вероятность снижения сопротивления сдвигу, приходящегося на один болт;

g_h - коэффициент надежности, принимаемый по табл. 37 СНиП РК 5.04-23-2002 и учитывающий требуемую степень сдвигоустойчивости соединения, а также изменчивость ко эффициентов трения и усилий натяжения болтов (в многоболтовых соединениях).

Предусматривается две степени сдвигоустойчивости соединения - повышенная и нормаль ная. Требуемая степень сдвигоустойчивости зависит от разности номинальных диаметров отверстий и болтов d и от характера нагрузок - динамической (если наряду со статическими воспринимаются также учитываемые в расчете подвижные, вибра ционные, ударные или другие динамические нагруз ки) или только статической. Повышенная сдвиго-устойчивость требуется для d ³ 2 мм при динами ческой и d ³ 5 мм при статической нагрузках, а нормальная сдвигоустойчивость для d £ 1 мм при динамической и d £ 4 мм при статической нагрузках.

Разность диаметров отверстий и болтов в значи тельной степени определяет величину смещений в центрах соединений после преодоления сил трения и общих перемещений в конструкции, а также пере распределение усилий в статически неопределимых конструкциях. Небольшие сдвиги могут нарушать геометрию конструкции и строительный подъем, и их следует рассматривать как пре дельное состояние II группы, характеризуемое затруднениями для нор мальной эксплуатации. Зна чительный сдвиг устанав ливает предел эксплуатационной пригодности конст рукции и является критерием предельного состоя ния I группы. Величины предельных смещений при динамической нагрузке меньше, чем при статичес кой.