Прямоугольное сечение. Определение момента сопротивления Практические расчёты на ползучесть

Напряжение при изгибе в упругой стадии распределяется в сечении по линейному закону. Напряжения в крайних волокнах для симметричного сечения определяются формулой:

где М – изгибающий момент;

W - момент сопротивления сечения.

С увеличением нагрузки (или изгибающего момента М) напряжения будут увеличиваться и достигнут значения предела текучести R yn .

Ввиду того, что предела текучести достигли только крайние волокна сечения, а соединенные с ними менее напряженные волокна могут еще работать, несущая способность элемента не исчерпана. С дальнейшим увеличением изгибающего момента будет происходить удлинение волокон сечения, однако напряжения не могут быть больше R yn . Предельной эпюрой будет такая, в которой верхняя часть сечения до нейтральной оси равномерно сжата напряжением R yn . Несущая способность элемента при этом исчерпывается, а он может как бы поворачиваться вокруг нейтральной оси без увеличения нагрузки; образуется шарнир пластичности.

В месте пластического шарнира происходит большое нарастание деформаций, балка получает угол перелома, но не разрушается. Обычно балка теряет при этом либо общую устойчивость, либо местную устойчивость отдельных частей. Предельный момент, отвечающий шарниру пластичности,

где W пл = 2S – пластический момент сопротивления

S – cтатический момент половины сечения относительно оси, проходящий через центр тяжести.

Пластический момент сопротивления, а следовательно предельный момент, отвечающий шарниру пластичности больше упругого. Нормами разрешается учитывать развитие пластических деформаций для разрезных прокатных балок, закрепленных от потери устойчивости и несущих статическую нагрузку. Значение пластических моментов сопротивления при этом принимаются: для прокатных двутавров и швеллеров:

W пл =1,12W – при изгибе в плоскости стенки

W пл = 1,2W – при изгибе параллельно полкам.

Для балок прямоугольного поперечного сечения W пл = 1,5 W.

По нормам проектирования развития пластических деформаций допускается учитывать для сварных балок постоянного сечения при отношениях ширины свеса сжатого пояса к толщине пояса и высоты стенки к ее толщине .

В местах наибольших изгибающих моментов недопустимы наибольшие касательные напряжения; они должны удовлетворять условию:

Если зона чистого изгиба имеет большую протяженность, соответствующий момент сопротивления во избежании чрезмерных деформаций принимается равным 0,5(W yn +W пл).

В неразрезных балках за предельное состояние принимается образование шарниров пластичности, но при условии сохранения системой своей неизменяемости. Нормами разрешается при расчете неразрезных балок (прокатных и сварных) определять расчетные изгибающие моменты исходя из выравнивания опорных и пролетных моментов (при условии, что смежные пролеты отличаются не больше чем на 20%).

Во всех случаях, когда расчетные моменты принимаются в предположении развития пластических деформаций (выравнивания моментов), проверку прочности следует производить по упругому моменту сопротивления по формуле:

При расчете балок из алюминиевых сплавов развитие пластических деформаций не учитывается. Пластические деформации пронизывают не только наиболее напряженное сечение балки в месте наибольшего изгибающего момента, но и распространяются по длине балки. Обычно в изгибаемых элементах кроме нормальных напряжений от изгибающего момента есть еще и касательное напряжение от поперечной силы. Поэтому условие начала перехода металла в пластическое состояние в этом случае должно определяться приведенными напряжениями s че d:

.

Как уже отмечалось, начало текучести в крайних фибрах (волокнах) сечения еще не исчерпывает несущие способности изгибаемого элемента. При совместном действии s и t предельная несущая способность примерно на 15% выше чем при упругой работе, и условие образования шарнира пластичности записывается в виде:

,

При этом должно быть .

Внецентренное растяжение (сжатие) вызывается силой, параллельной оси бруса, но не совпадающей с ней. Внецентренное растяжение (сжатие) может быть сведено к осевому растяжению (сжатию) и косому изгибу, если перенести силу P в центр тяжести сечения. Внутренние силовые факторы в произвольном поперечном сечении бруса равны:

где y p , z p - координаты точки приложения силы. На основании принципа независимости действия сил напряжения в точках поперечного сечения при внецентренном растяжении (сжатии) определяются по формуле: или

Где - радиусы инерции сечения. Выражение в скобках в уравнении показывает во сколько раз напряжения при внецентренном растяжении (сжатии) больше напряжений центрального растяжения.

Определение напряжений и деформаций при ударе

Целью расчета сооружения на удар является определение наибольших деформаций и напряжений, возникающих в результате удара.

В курсе сопротивления материалов предполагается, что напряжения, возникающие в системе при ударе, не превышают пределов упругости и пропорциональности материала, а потому при изучении удара можно использовать закон Гука. F x = F упр = –kx . Это соотношение выражает экспериментально установленный закон Гука. Коэффициент k называется жесткостью тела. В системе СИ жесткость измеряется в ньютонах на метр (Н/м). Коэффициент жесткости зависит от формы и размеров тела, а также от материала. отношение σ = F / S = –Fупр / S , где S – площадь поперечного сечения деформированного тела, называется напряжением. Тогда закон Гука можно сформулировать так: относительная деформация ε пропорциональна напряжению

В основе приближенной теории удара, рассматриваемой в курсе сопротивления материалов, лежит гипотеза о том, что эпюра перемещений системы от груза Р при ударе (в любой момент времени) подобна эпюре перемещений, возникающих от этого же груза, но действующего статически.

Ой типичные кривые ползучести, построенные в экспериментах при одинаковой температуре, но при разных напряжениях; вторая – при одинаковых напряжениях, но различных температурах.

Пластический момент сопротивления

- пластический момент сопротивления, равный сумме статических моментов верхней и нижней частей сечения и имеющий для разных сечений различные значения. несколько больше обычного момента сопротивления ; так, для прямоугольного сечения = 1,5 для прокатных двутавров и швеллеров

Практические расчёты на ползучесть

Суть расчета конструкции на ползучесть заключается в том, что деформация деталей не будет превышать допустимого уровня, при котором нарушится конструктивная функция, т.е. взаимодействие узлов, за весь срок эксплуатации конструкции. При этом должно выполняться условие

разрешив которое, получаем уровень рабочих напряжений.

Подбор сечения стержней

При решении задач на подбор сечений в стержнях в большинстве случаев используется следующий план: 1) Через продольные силы в стержнях определяем расчётную нагрузку. 2) Далее через условие прочности осуществляем подбор сечений согласно ГОСТ. 3) Затем определяем абсолютные и относительные деформации.

При малых усилиях в сжатых стержнях подбор сечения производится по заданной предельной гибкости λ пр. Сначала определяется требуемый радиус инерции: а по радиусу инерции подбираются соответствующие уголки. Для облегчения определения необходимых габаритов сечения, позволяющих наметить необходимые размеры уголков, в таблице “Приблеженные значения радиусов” инерций сечений элементов из уголков приведены приближенные значения радиусов инерции для различных сечений элементов из уголков.

Ползучесть материалов

Ползучесть материалов - медленная непрерывная пластическая деформация твёрдого тела под воздействием постоянной нагрузки или механического напряжения. Ползучести в той или иной мере подвержены все твёрдые тел, как кристаллические, так и аморфные. Ползучесть наблюдают при растяжении, сжатии, кручении и других видах нагружения. Ползучесть описывается так называемой кривой ползучести, которая представляет собой зависимость деформации от времени при постоянных температуре и приложенной нагрузке. Полная деформация в каждую единицу времени представляет собой сумму деформаций

ε = ε е + ε р + ε с,

где ε е - упругая составляющая; ε р - пластическая составляющая, возникающая при возрастании нагрузки от 0 до Р; ε с - деформация ползучести, возникающая с течением времени при σ = const.

2.5. Метод редуцирования предельного момента сопротивления для учета влияния перерезывающей силы в балках средней длины

Итак, число расчетных случаев, при которых пластификация сечения является однофакторной (чисто изгибной или чисто сдвиговой), – ограничено, а использование неявных уравнений предельной поверхности затрудняет получение аналитических решений. Как же, тем не менее, можно получить таковые?

В строительной механике корабля существует известный прием редуцирования , согласно которому учет действия в сечении балки напряжений определенного вида, а также учет факта возникновения текучести или локальной потери устойчивости в элементах сечения производят изменением геометрических характеристик сечения и продолжают расчет в рамках исходного метода (см. , например, редуцирование в расчете общей прочности корабля ). Как показано в параграфе 2.4, для конкретных типов сечений вполне можно оценить превалирование того или иного вида пластического механизма над остальными возможными и понять, какой фактор считать редукционным.

Так, если изгибно-сдвиговой механизм является в большей степени изгибным, то влияние перерезывающей силы можно попытаться учесть изменением (редуцированием) изгибного момента сопротивления, не применяя, таким образом, уравнения предельной поверхности, а продолжая рассматривать пластический механизм как однофакторный.

Пример 1. Исследование механизмов утраты несущей способности жестко заделанной балки (рис. 2.5.1, а) , загруженной равномерно распределенной нагрузкой на симметричном относительно середины балки участке 2с .

Поперечное сечение балки – несимметричный двутавр, образованный тавровым профилем с присоединенным пояском пластины (рис. 2.5.1, в , г ).

Рис.2.5.1 Модельная двутавровая балка: а – расчетная схема исследуемого объекта; б – схема нагрузок и внутренних усилий в предельном состоянии;
в – схема поперечного сечения балки в виде несимметричного двутавра :
1 – свободный поясок; 2 – стенка; 3 – присоединенный поясок; г – размеры тестового варианта сечения

Поперечное сечение характеризуется шестью геометричес­кими размерами:

h – высота стенки;

t – толщина стенки;

b f – ширина свободного пояска;

t f – толщина свободного пояска;

b pp – ширина присоединенного пояска;

t pp – толщина присоединенного пояска.

Площадь стенки ω, площадь свободного пояска S 1 , площадь присоединенного пояска S 2 и площадь всего сечения F вычисляют по зависимостям:

Рассмотрим варианты предельного пластического механизма, реализующиеся в зависимости от отношения L / h . Ряд результатов при этом является повторением материала параграфов 1.1, 2.1 и 2.2 .

Предельное состояние пластического механизма вращения. Предполагается, что в сечении действуют только нормальные напряжения. Предельное состояние сечения характеризуется условием для всех точек сечения

Изгибающий момент, действие которого вызывает предельное состояние механизма вращения, назовем предельным моментом сечения M T . Его значение определяется из двух урав­нений равновесия внешних и внутренних сил в сечении

Из уравнений равновесия следует, что

где F раст – ра стянутая часть площади сечения; F сжат – сжатая часть площади сечения.

В предельном состоянии пластическая нейтральная ось сечения (НО пл) делит его площадь пополам. Для несимметричного профиля характерных для судостроительных балок размеров пластическая нейтральная ось (НО пл) располагается пр актически на нижней поверхности присоединенного пояска (см. рис. 2.5.1) и предельный момент сопротивления имеет вид:

Предельное состояние пластического механизма сдвига. Предполагается, что сдвиговым деформациям сопротивляется только стенка, и в ее сечении действуют только касательные напряжения. Предельное состояние сечения стенки характеризуется условием для всех точек сечения

Перерезывающую силу, действие которой вызывает предельное состояние механизма сдвига, назовем предельной перерезывающей силой сечения N т . Ее значение определяется из уравнения равновесия внешних и внутренних сил в сечении:

где τ т – касательные напряжения текучести, которые в соответствии с энергетическим условием пластичности равны

Из (2.5.11) получим:

И, наконец, рассмотрим применение метода редуцирования для оценки предельного состояния, характеризуемого пластическим механизмом вращения с учетом влияния сдвига. Для учета влияния перерезывающей силы на предельное состояние сечения при изгибе примем, что перерезывающая сила воспринимается только стенкой . Поэтому пластический момент сопротивления сечения W т = W f + W ω редуцируется путем уменьшения эффективной площади стенки W ω :

Здесь

τ – действующие касательные напряжения в предположении их равномерного распределения по высоте стенки (что, естественно, принимается приближенно ); φ – редукционный коэффициент площади стенки.

Поскольку касательные напряжения при постоянной перерезывающей силе в сечении обратно пропорциональны площади поперечного сечения, можно принять, что

Введем – коэффициент эффективности площади сдвига и учтем, что

где – минимальное значение площади стенки.

Введем также коэффициент

Тогда редуцированный пластический момент сопротивления сечения может быть выражен как

а редуцированный пластический изгибающий момент определяется как

Тестовые расчеты произведем для конкретного сечения (рис. 2.5.1, г ) балки длиной 2 м, загруженной на длине 2с = 0,32 м . Заданная высота сечения позволяет считать балку (по аналогии с пластинами средней толщины) балкой «со средней высотой стенки », т.е. балкой с существеным влиянием на общий прогиб деформации поперечного сдвига. Назовем такую балку укороченной (L /h = 5,85).

Материал балки – сталь с модулем упругости E = 2,06∙10 11 Па и пределом текучести σ т =320МПа. Отстояние нейтральной оси от фибры присоединенного пояска z 0 =9,72 см. Момент инерции поперечного сечения: I = 22681,2 см 4 . Момент сопротивления фибры свободного пояска W с.п = 926,4 см 3 . Момент сопротивления фибры присоединенного пояска W пп = 2334,1 см 3 . Площадь поперечного сечения стенки балки ω с = 44,46 см 2 . Изгибающий момент фибровой текучести (упругой стадии изгибного деформирования) свободного пояска M e = σ т W сп = 296,45. 10 3 Нм.

Оценка влияния сдвиговых деформаций на прогиб для упругой стадии деформирования балки средней высоты сечения. Перед рассмотрением предельного равновесия оценим влияние сдвиговых деформаций. Для рассматриваемого случая коэффициент сечения балки k = 1,592, коэффициент загружения балки K = 0,9422, п ри этом прогиб от сдвига составляет 40% полной стрелки, а прогиб от изгиба – 60% .

Под наибольшей нагрузкой будем понимать нагрузку образования фибровой текучести при изгибном деформировании и нагрузку достижения касательных напряжений текучести при сдвиговом деформировании.

Наибольшая нагрузка упругой стадии изгибного деформирования

Наибольшая нагрузка упругой стадии сдвигового деформирования

Предельное равновесие тестовой балки по изгибному механизму. Предельное состояние сечения, характеризуемое пластическим механизмом вращения , следующее. Полный пластический изгибающий момент определяется, как

M т = σ т W т,

где W т –полный пластический момент сопротивления, W т = W f + W ω = S 1 h + ω c h / 2= (12−1,3)1,6∙34,2+44,46∙34,2/2=1346 см 3 (здесь принято, что пластическая нейтральная ось расположена на пересечении стенки и нижнего фибра пластины); W f = S 1 h – статический момент свободного пояска относительно пластической нейтральной оси (пластический момент сопротивления свободного пояска); W ω = ω c h / 2 – статический момент стенки относительно пластической нейтральной оси (пластический момент сопротивления стенки).

Таким образом, W f =586см 3 , W ω = 760см 3 .

Предельный момент сечения балки:

M т = σ т W т =430∙10 3 H∙м.

Нагрузка, соответствующая образованию предельных изгибающих моментов в опорных сечениях, равна

откуда ее равнодействующая

Нагрузка, соответствующая образованию предельных изгибающих моментов в опорных сечениях и в пролете (предельная нагрузка изгибного механизма):

Предельное равновесие тестовой балки по сдвиговому механизму. Определим предельное состояние сечения, характеризуемое пластическим механизмом сдвига. Пластические деформации возникают в стенке от действия касательных напряжений и предельная перерезывающая сила сечения имеет вид:

Предельное равновесие тестовой балки по изгибному механизму с учетом сдвига. Проведем расчет предельного состояния сечения, характеризуемого пластическим механизмом вращения с учетом механизма сдвига. Для учета влияния перерезывающей силы на предельное состояние сечения при изгибе принимается, что перерезывающая сила воспринимается только стенкой.

Определим коэффициент k ω по (2.5.18):

Установить соотношение между пластическими изгибающими моментами в шарнирах и внешней нагрузкой можно на основании К.Э.Т. Полагаем точкой начала оси x (рис. 2.5.1, б ) среднюю точку пролета, что позволяет определить угол слома – 2w /L , где w – прогиб в центральном сечении. Очевидно, что в центральном сечении предельный момент не редуцируется .

Из равенства работ внешних и внутренних усилий

получаем:

Подстановка в последнее выражение формул для моментов M T (2.5.6) и M Tr (2.5.20) дает:

Если учесть, что , то получаем квадратное уравнение относительно предельной нагрузки Q _ u :

Для рассматриваемого случая Q _ u =1534∙10 3 Ни φ =0,358.

Результаты расчета нагрузки и прогиба для различных стадий деформирования с использованием балочной модели представлены в табл. 2.5.1.

Как видно, самая большая предельная нагрузка изгибного механизма равна 1871кН, затем следует предельная нагрузка сдвигового механизма 1643кН, и, наконец, самая маленькая предельная нагрузка комбинированного механизма изгиба с учетом сдвига 1534кН, которая и должна реализовываться первой .

Полученный результат достаточно хорошо подтверждается прямым численным моделированием процесса потери несущей способности укороченной балки. Методы такого моделирования выходят за рамки настоящего пособия.

Таблица 2.5.1

Влияние вида пластического механизма на предельное НДС