Основы расчета по предельным состояниям

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

ЛЕКЦИЯ

ОСНОВЫ РАСЧЕТА ПО ПРЕДЕЛЬНЫМ СОСТОЯНИЯМ

Расчет элементов конструкций цельного сечения

В соответствии с действующими в России нормами деревянные конструкции должны рассчитываться по методу предельных состояний.

Предельными являются такие состояния конструкций, при которых они перестают удовлетворять требованиям эксплуатации. Внешней причиной, которая приводит к предельному состоянию является силовое воздействие (внешние нагрузки, реактивные силы). Предельные состояния могут наступать под влиянием условий работы деревянных конструкций, а также качества, размеров и свойств материалов. Различают две группы предельных состояний:

1 - по несущей способности (прочности, устойчивости).

2 - по деформациям (прогибам, перемещениям).

Первая группа предельных состояний характеризуется потерей несущей способности и полной непригодностью к дальнейшей эксплуатации. Является наиболее ответственной. В деревянных конструкциях могут возникать следующие предельные состояния первой группы: разрушение, потеря устойчивости, опрокидывание, недопустимая ползучесть. Эти предельные состояния не наступают, если выполняются условия:

у ? R,

ф ? R_ск (или R_ср),

т.е. когда нормальные напряжения (у) и касательные напряжения (ф) не превышают некоторой предельной величины R, называемой расчетным сопротивлением.

Вторая группа предельных состояний характеризуется такими признаками, при которых эксплуатация конструкций или сооружений хотя и затруднена, однако, полностью не исключается, т.е. конструкция становится непригодной только к нормальной эксплуатации. Пригодность конструкции к нормальной эксплуатации обычно определяется по прогибам

f ? [f], или

f/l ? [f/l].

Это означает, что изгибаемые элементы или конструкции пригодны к нормальной эксплуатации, когда наибольшая величина отношения прогиба к пролету меньше предельно допустимого относительного прогиба [f/l] (по СНиП II-25-80). конструкция сечение древесина изгиб

Цель расчета конструкций - не допустить наступления ни одного из возможных предельных состояний, как при транспортировке и монтаже, так и при эксплуатации конструкций. Расчет по первому предельному состоянию производится по расчетным значениям нагрузок, а по второму - по нормативным. Нормативные значения внешних нагрузок приведены в СНиП «Нагрузки и воздействия». Расчетные значения получают с учетом коэффициента безопасности по нагрузке г_n. Конструкции рассчитывают на неблагоприятное сочетание нагрузок (собственный вес, снег, ветер) вероятность которых учитывается коэффициентами сочетаний (по СНиП «Нагрузки и воздействия»).

Основной характеристикой материалов, по которой оценивается их способность сопротивляться силовым воздействиям, является нормативное сопротивление R^н. Нормативное сопротивление древесины вычисляется по результатам многочисленных испытаний малых образцов чистой (без включения пороков) древесины одной породы, влажностью 12%:

R^н=

Где - среднее арифметическое значение предела прочности,

V - вариационный коэффициент,

t - показатель достоверности.

Нормативное сопротивление R^н является минимальным вероятностным пределом прочности чистой древесины, получаемым при статической обработке результатов испытаний стандартных образцов малого размера на кратковременную нагрузку.

Расчетное сопротивление R - это максимальное напряжение, которое может выдержать материал в конструкции не разрушаясь при учете всех неблагоприятных факторов в условиях эксплуатации, снижающих его прочность.

При переходе от нормативного сопротивления R^н к расчетному R необходимо учесть влияние на прочность древесины длительного действия нагрузки, пороков (сучков, косослоя и пр.), перехода от малых стандартных образцов к элементам строительных размеров. Совместное влияние всех этих факторов учитывается коэффициентом безопасности по материалу (к). Расчетное сопротивление получают делением R^н на коэффициент безопасности по материалу:

R= R^н/к,

, где

к_дл=0,67 - коэффициент длительности при совместном действии постоянных и временных нагрузок;

к_одн=0,27ч0,67 - коэффициент однородности, зависящий от вида напряженного состояния, учитывающий влияние пороков на прочность древесины.

Минимальное значение к_одн принимается при растяжении, когда влияние пороков особенно велико. Расчетные сопротивления к приведены в табл. 3 СНиП II-25-80 (для древесины хвойных пород). R древесины других пород получают с помощью переходных коэффициентов, также приведенных в СНиПе.

Сохранность и прочность древесины и деревянных конструкций зависят от температурно-влажностных условий. Увлажнение способствует загниванию древесины, а повышенная температура (за известным пределом) снижает ее прочность. Учет этих факторов требует введения коэффициентов условия работы: m_в?1, m_Т?1.

Кроме этого СНиП предполагает учет коэффициента слойности для клееных элементов: m_сл=0,95ч1,1;

балочный коэффициент для высоких балок, высотой более 50 см.: m_б?1;

коэффициент антисептирования: m_а?0,9;

коэффициент гнутья для гнутоклееных элементов: m_гн?1 и др.

Модуль упругости древесины независимо от породы принимается равным:

Е=10000 МПа;

Е₉₀=400 МПа.

Расчетные характеристики строительной фанеры также приведены в СНиПе, причем, при проверке напряжений в элементах из фанеры, как и для древесины, вводят коэффициенты условия работы m. Кроме этого для расчетного сопротивления древесины и фанеры вводится коэффициент m_дл=0,8 в случае, если суммарное расчетное усилие от постоянных и временных нагрузок превышает 80% полного расчетного усилия. Этот коэффициент вводится в дополнение к тому снижению, которое включено в коэффициент безопасности по материалу.

Элементами деревянных конструкций называют доски, бруски, брусья и бревна цельного сечения с размерами, указанными в сортаментах пилёных и круглых материалов. Они могут являться самостоятельными конструкциями, например, балками или стойками, а также стержнями более сложных конструкций. Усилия в элементах определяют общими методами строительной механики. Проверка прочности и прогибов элемента заключается в определении напряжений в сечениях, которые не должны превышать расчетных сопротивлений древесины, а также его прогибов, которые не должны превосходить предельных, установленных нормами проектирования. Деревянные элементы рассчитывают в соответствии со СНиП II-25-80.

Растянутые элементы

На растяжение работают нижние пояса и отдельные раскосы ферм, затяжки арок и других сквозных конструкций. Растягивающее усилие N действует вдоль оси элемента и во всех точках его поперечного сечения возникают растягивающие напряжения у, которые с достаточной точностью считаются одинаковыми по величине.

Древесина на растяжение работает почти упруго и показывает высокую прочность. Разрушение происходит хрупко в виде почти мгновенного разрыва. Стандартные образцы при испытаниях на растяжение имеют вид «восьмерки».

Как видно из диаграммы растяжения древесины без пороков, зависимость деформаций от напряжений близка к линейной, а прочность достигает 100 МПа.

Однако прочность реальной древесины при растяжении, учитывая ее значительные колебания, большое влияние пороков и длительности нагружения значительно ниже: для неклееной древесины I сорта R_р=10 МПа, для клееной древесины влияние пороков уменьшается, поэтому R_р=12 МПа. Прочность растянутых элементов в тех местах, где есть ослабления снижается в результате концентрации напряжений у их краев, т.е. вводится коэффициент условия работы m₀=0,8. Тогда получается расчетное сопротивление R_р=8 МПа. Проверочный расчет растянутых элементов производится по формуле:

у

где

- площадь рассматриваемого поперечного сечения, причем ослабления, расположенные на участке длиной 20 см. считаются совмещенными в одном сечении. Для подбора сечений пользуются этой же формулой, но относительно искомой (требуемой) площади .



Сжатые элементы

На сжатие работают стойки, подкосы, верхние пояса и отдельные стержни ферм. В сечениях элемента от сжимающего усилия N, действующего вдоль его оси, возникают почти одинаковые по величине сжимающие напряжения у (эпюра прямоуголная).

Стандартные образцы при испытании на сжатие имеют вид прямоугольной призмы с размерами, указанными на рис. 2.

Древесина работает на сжатие надежно, но не вполне упруго. Примерно до половины предела прочности рост деформаций происходит по закону близкому к линейному, и древесина работает почти упруго. При росте нагрузки увеличение деформаций все более опережает рост напряжений, указывая на упруго-пластический характер работы древесины.

Разрушение образцов без пороков происходит при напряжениях, достигающих 44 МПа, пластично, в результате потери устойчивости ряда волокон, о чем свидетельствует характерная складка. Пороки меньше снижают прочность древесины, чем при растяжении, поэтому расчетное сопротивление реальной древесины при сжатии выше и составляет для древесины 1 сорта R_с=14ч16 МПа, а для 2 и 3 сортов эта величина немного ниже.

Расчет на прочность сжатых элементов производится по формуле:

у

где R_с - расчетное сопротивление сжатию.

Аналогичным образом рассчитываются и сминаемые по всей поверхности элементы. Сжатые стержни, имеющие большую длину и не закрепленные в поперечном направлении должны быть, помимо расчета на прочность, рассчитаны на продольный изгиб. Явление продольного изгиба заключается в том, что гибкий центрально-сжатый прямой стержень теряет свою прямолинейную форму (теряет устойчивость) и начинает выпучиваться при напряжениях, значительно меньших предела прочности. Проверку сжатого элемента с учетом его устойчивости производят по формуле:

у

где - расчетная площадь поперечного сечения,

ц - коэффициент продольного изгиба.

принимается равной:

1. При отсутствии ослаблений =,

2. При ослаблениях, не выходящих на кромки, если площадь ослаблений не превышает 25% , =,

3. То же, если площадь ослаблений превышает 20% , =4/3,

При симметричных ослаблениях, выходящих на кромки =,

При несимметричном ослаблении, выходящем на кромки, элементы рассчитывают как внецентренно сжатые.

Коэффициент продольного изгиба ц всегда меньше 1, учитывает влияние устойчивости на снижение несущей способности сжатого элемента в зависимости от его расчетной максимальной гибкости л.

Гибкость элемента равна отношению расчетной длины l₀ к радиусу инерции сечения элемента:

; .

Расчетную длину элемента l₀ следует определять умножением его свободной длины l на коэффициент м₀:

l₀=l м₀,

где коэффициент м₀ принимается в зависимости от типа закрепления концов элемента:

- при шарнирно закрепленных концах м₀=1;

- при одном шарнирно закрепленном, а другом защемленном м₀=0,8;

- при одном защемленном, а другом свободном нагруженном конце м₀=2,2;

- при обоих защемленных концах м₀=0,65.

Гибкость сжатых элементов ограничивается с тем, чтобы они не получились недопустимо гибкими и недостаточно надежными. Отдельные элементы конструкций (отдельные стойки, пояса, опорные раскосы ферм и т.п.) должны иметь гибкость не более 120. Прочие сжатые элементы основных конструкций - не более 150, элементы связей - 200.

При гибкости более 70 (л>70) сжатый элемент теряет устойчивость, когда напряжения сжатия в древесине еще невелики и она работает упруго.

Коэффициент продольного изгиба (или коэффициент устойчивости), равный отношению напряжения в момент потери устойчивости у_кр к пределу прочности при сжатии R_пр, определяют по формуле Эйлера с учетом постоянного отношения модуля упругости древесины к пределу прочности:

, где

А=3000 - для древесины,

А=2500 - для фанеры.

При гибкостях, равных и меньших 70 (л?70) элемент теряет устойчивость, когда напряжения сжатия достигают упругопластической стадии и модуль упругости древесины понижается. Коэффициент продольного изгиба при этом определяют с учетом переменного модуля упругости по упрощенной теоретической формуле:

Где =0,8 - коэффициент для древесины;

=1 - коэффициент для фанеры.

При подборе сечения используют формулу расчета на устойчивость, предварительно задаваясь величиной л и ц.

Изгибаемые элементы

В изгибаемых элементах от нагрузок, действующих поперек продольной оси, возникают изгибающие моменты М и поперечные силы Q, определяемые методами строительной механики. Например, в однопролетной балке пролетом l от равномерно-распределенной нагрузки q возникают изгибающие моменты и поперечные силы .

От изгибающего момента в сечениях элемента возникают деформации и напряжения изгиба у, которые состоят из сжатия в одной части сечения и растяжения в другой, в результате элемент изгибается.

Диаграмма как и для сжатия, примерно до половины, имеет линейное очертание, затем изгибается, показывая ускоренный рост прогибов.

=80 МПа - предел прочности чистой древесины на изгиб при кратковременных испытаниях. Разрушение образца начинается с появления складок в крайних сжатых волокнах и завершается разрывом крайних растянутых. Расчетное сопротивление изгибу по СНиП II-25-80 рекомендуется принимать таким же, как и при сжатии, т.е. для 1 сорта R_и=14 МПа - для элементов прямоугольного сечения высотой до 50 см. Брусья с размерами сечения 11 - 13 см. при высоте сечения 11 - 50 см. имеют меньше перерезанных волокон при распиловке, чем доски, поэтому их прочность повышается до R_и=15 МПа. Бревна шириной свыше13 см. при высоте сечения 13 - 50 см. совсем не имеют перерезанных волокон, поэтому R_и=16 МПа.

1. Расчет изгибаемых элементов на прочность

Производится по формуле:

у=, где

М - максимальный изгибающий момент,

W_расч - расчетный момент сопротивления поперечного сечения.

Для наиболее распространенного прямоугольного сечения

; .

Подбор сечения изгибаемых элементов производится по этой же формуле, определяя , затем, задавая один из размеров сечения (b или h), находят другой размер.

2. Расчет на устойчивость плоской формы деформирования элементов прямоугольного постоянного сечения

Производят по формуле:

у=, где

М - максимальный изгибающий момент на рассматриваемом участке l_p,

W_бр - максимальный момент сопротивления брутто на рассматриваемом участке l_p,

ц_м - коэффициент устойчивости.

Коэффициент ц_м для изгибаемых элементов прямоугольного постоянного поперечного сечения шарнирно-закрепленных от смещения из плоскости изгиба, следует определять по формуле:

Где l_p - расстояние между опорными сечениями элемента (расстояние между точками закрепления сжатого пояса),

b - ширина поперечного сечения,

h - максимальная высота поперечного сечения на участке l_p,

k_ф - коэффициент, зависящий от формы эпюры на участке l_p (определяется по таблице СНиП II-25-80).

При расчете элементов переменной высоты сечения значение коэффициента ц_м следует умножать на коэффициент k_жм, а при подкреплении из плоскости изгиба в промежуточных точках растянутой кромки - на коэффициент k_пм.

Оба эти коэффициента определяются по СНиП.

При наличии точек закрепления растянутых зон n?4, k_жм=1.

Проверку устойчивости плоской формы изгиба элементов постоянного двутаврового или коробчатого сечения следует производить в тех случаях, когда l_p?7b, где b - ширина сжатого пояса поперечного сечения. Расчет следует производить по формуле:

Где ц - коэффициент продольного изгиба сжатого пояса,

R_c - расчетное сопротивление сжатию,

W_бр - момент сопротивления брутто, в случае фанерных стенок - приведенный момент сопротивления в плоскости изгиба элемента.

3. Проверка на скалывание при изгибе

Выполняется по формуле Журавского:

Где Q - расчетная поперечная сила;

I_бр - момент инерции брутто рассматриваемого сечения;

S_бр - статический момент брутто сдвигаемой части сечения относительно нейтральной оси;

b - ширина сечения;

R_ск - расчетное сопротивление скалыванию при изгибе (для древесины I сорта R_ск=1,8 МПа для неклееных элементов, R_ск=1,6 МПа - для клееных элементов вдоль волокон).

В балках прямоугольного сечения при l/h?5 скалывания не происходит, однако оно может быть в элементах других форм сечения, например, в двутавровых балках с тонкой стенкой.

4. Проверка изгибаемых элементов по прогибам

Определяется относительный прогиб, значение которого не должно превышать предельного значения, регламентированного СНиПом:

Наибольший прогиб f шарнирно-опертых и консольных изгибаемых элементов постоянного и переменного сечения следует определять по формуле:

Где f₀ - прогиб балки постоянного сечения без учета деформаций сдвига (например, для однопролетной балки ;

h - наибольшая высота сечения;

k - коэффициент, учитывающий переменность высоты сечения, для балки постоянного сечения k=1;

с - коэффициент, учитывающий деформации сдвига от поперечной силы.

Значения коэффициентов k и с приведены в СНиП.

Клееные криволинейные элементы, изгибаемые моментом М, уменьшающим их кривизну, следует проверять дополнительно на радиальные растягивающие напряжения по формуле:

у_r=

где у₀ - нормальные напряжения в крайнем волокне растянутой зоны.

у_i - нормальные напряжения в промежуточном волокне сечения для которого определяются радиальные растягивающие напряжения;

h_i - расстояние между крайними и рассматриваемыми волокнами;

r_i - радиус кривизны линии, проходящей через центр тяжетси эпюры нормальных растягивающих напряжений, заключенной между крайними и рассматриваемыми волокнами.

Косой изгиб

Возникает в элементах, оси сечений которых расположены наклонно к направлению нагрузок, как например, в брусчатых прогонах скатных покрытий.

q_x=qsinб;

q_y=qcosб;

M_x=Msinб;

M_y=Mcosб.

Вертикальная нагрузка q и изгибающие моменты М при косом изгибе под углом б раскладываются на нормальную (q_y) и скатную (q_x) составляющие.



Проверку прочности при косом изгибе производят по формуле:

у=.

Подбор сечений косоизгибаемых элементов производят методом попыток. Расчет по прогибам производят с учетом геометрической суммы прогибов относительно каждой из осей сечения:

.

Растянуто-изгибаемые элементы

Работают одновременно на растяжение и изгиб. Так работают, например, растянутый нижний пояс фермы с межузловой нагрузкой; стержни, в которых растягивающие усилия действуют с эксцентриситетом относительно оси (такие элементы называют внецентренно-растянутыми). В сечениях растянуто-изгибаемого элемента от продольной растягивающей силы N возникают равномерные растягивающие напряжения, а от изгибающего момента М - напряжения изгиба. Эти напряжения суммируются, благодаря чему растягивающие напряжения увеличиваются, а сжимающие уменьшаются. Расчет растянуто-изгибаемых элементов производится по прочности с учетом всех ослаблений:

у=, .

Отношение R_p/R_u позволяет привести напряжения растяжения и изгиба к единому значению для сравнения их с расчетным сопротивлением растяжению.

Сжато-изгибаемые элементы

Работают одновременно на сжатие и изгиб. Так работают, например, верхние сжатые пояса ферм, нагруженные дополнительно межузловой поперечной нагрузкой, а также при эксцентричном приложении сжимающей силы (внецентренно-сжатые элементы).

В сечениях сжато-изгибаемого элемента возникают равномерные напряжения сжатия от продольных сил N и напряжения сжатия и растяжения от изгибающего момента М, которые суммируются.

Искривление сжато-изгибаемого элемента поперечной нагрузкой приводит к появлению дополнительного изгибающего момента с с максимальным значением:

М_N=N·f,

Где f - прогиб элемента.

Расчет на прочность сжато-изгибаемых элементов выполняют по формуле:

Где М_д - изгибающий момент по деформированной схеме от действия поперечных и продольных нагрузок.

Для шарнирно-опертых элементов при симметричных эпюрах изгибающих моментов синусоидального, параболического и близких к ним очертаний:

Где М - изгибающий момент в расчетном сечении без учета дополнительного момента от продольной силы;

о - коэффициент, изменяющийся от 1 до 0, учитывающий дополнительный момент от продольной силы вследствие прогиба элемента, определяемый по формуле:

Где ц - коэффициент продольного изгиба (коэффициент устойчивости) для сжатых элементов.

Кроме проверки на прочность, сжато-изогнутые элементы проверяются на устойчивость по формуле:

Где F_бр - площадь брутто с максимальными размерами сечения элемента на участке l_p;

W_бр - максимальный момент сопротивления на рассматриваемом участке l_p;

n=2 - для элементов без закрепления растянутой зоны из плоскости деформирования,

n=1 - для элементов, имеющих закрепления в растянутой зоне из плоскости деформирования;

ц - коэффициент устойчивости для сжатия, определяемый по формуле:

Где А=3000 - для древесины,

А=2500 - для фанеры;

ц_м - коэффициент устойчивости для изгиба, формула для определения этого коэффициента была дана раньше.

Размещено на Allbest.ru

...