2.3. Работа материалов для несущих конструкций под нагрузкой и их расчетные характеристики

В главе 2.2 дано общее представление о нормативных и рас­четных сопротивлениях материалов. При выполнении расчетов необходимо уметь правильно определять их для конкретных ма­териалов, понимать их связь с общим характером работы мате­риала. Наряду с сопротивлениями материалов для выполнения расчетов имеет большое значение такой показатель свойств материалов, как модуль упругости, который устанавливает зависи­мость между напряжениями в материале и возникающими в нем деформациями.

Ниже рассмотрим, как определяются нормативные и расчет­ные сопротивления, модули упругости и коэффициенты условий работы для различных конструкционных материалов.

2.3.1. Сталь

Выбор стали для рассчитываемых конструкций производится по Приложению I, табл. 50* СНиП П-23-81*. При выборе стали учитывается сложность напряженного состояния, которое испы­тывает конструкция при работе (конструкции разделены на четыре группы: конструкции, испытывающие наиболее сложное напря­женное состояние, относятся к группе 1, наименее сложное — к группе 4); учитывается также температура, при которой будет эксплуатироваться конструкция (низкие отрицательные темпера­туры могут приводить к хрупкому разрушению стали).

В настоящем учебнике рассматриваются только некоторые, часто применяемые стали (С235, С245, С275, С345) и не акцен­тируется внимание на выборе сталей.

Исследования работы сталей проводятся на стальных образцах, результаты их работы отражаются на диаграмме, где по оси орди­нат откладываются напряжения а, а по оси абсцисс относитель­ные деформации образца s (отношение удлинения образца к его первоначальной длине). На диаграмме (рис. 2.2) можно выделить три участка работы стали: 1 — участок упругой работы; 2 — учас­ток пластической работы; 3 — участок упруго-пластической рабо­ты. В большинстве простейших расчетов, которые и рассматри­ваются в настоящем учебнике, считается, что сталь работает в пределах первого участка — упруго, т.е. напряжения в элементах ограничиваются пределом текучести — а_у Соответственно, нор­мативные и расчетные сопротивления, необходимые для расчета конструкций, принимаются по пределу текучести (табл. 2.2):

R_yп — нормативное сопротивление стали, принятое по пре­делу текучести;

R_y— расчетное сопротивление стали, принятое по пределу те­кучести.

В некоторых случаях необходимо при расчетах знать норматив­ные и расчетные сопротивления, принятые по временному сопро­тивлению — о„:

R_ип — нормативное сопротивление стали, принятое по времен­ному сопротивлению;

R_u— расчетное сопротивление стали, принятое по временно­му сопротивлению.

Нормативные и расчетные сопротивления стали принимаются по таблице 51* СНиП 11-23-81* в зависимости от стали, вида проката (фасонный или листовой) и толщины проката. Для некоторых ста­лей нормативные и расчетные сопротивления приведены в табл. 2.2 учебника. Как уже отмечалось, расчетные сопротивления должны умножаться на коэффициенты условий работы. Для стальных кон­струкций коэффициенты условий работы у_с приведены в таблице 6* СНиП П-23-81*. В случаях, не оговоренных в таблице, следует при­нимать у_с = 1. Некоторые коэффициенты условий работы стальных конструкций приведены в настоящем учебнике (табл. 2.3).

В дальнейшем при ссылке на номера таблиц, если не указаны номе­ра соответствующих СНиП, приводятся номера таблиц учебника.

Кроме требований по механической прочности к сталям могут предъявляться требования по ударной вязкости (способности про­тивостоять разрушению при воздействии ударной нагрузки), кото­рые определяются категорией стали. Категория стали принимается в зависимости от климатического района строительства, динамичес­ких воздействий на конструкцию и других требований. Так, в запи­си стали С345-1, цифра 1 обозначает категорию стали. Необходимая категория стали определяется по табл. 50* СНиП 11-23-81*.

Для ряда расчетов необходимо знать модуль упругости. Модуль упругости стали численно равен тангенсу угла наклона диаграм­мы к оси абсцисс: Е= tga (рис. 2.2). Для прокатной стали и сталь­ных отливок модуль упругости £"=2,06-10⁵ МПа.

Сортамент прокатных профилей

Металлические конструкции изготавливаются из элементов, по­лучаемых прокаткой стали (листы и фасонный прокат), прессова­нием (прессованные профили из алюминиевых сплавов) или холод­ным гнутьем (гнутые профили). В строительных конструкциях раз­нообразные стальные или алюминиевые профили применяют в различных сочетаниях. От правильного выбора материала (стали или алюминиевого сплава) и типа профиля зависит стоимость из­готовления конструкции. Перечень прокатных профилей с указани­ем их формы, геометрических характеристик, массы единицы дли­ны и других данных называется сортаментом. В целях ограниче­ния разнообразия типоразмеров проката и обеспечения унификации конструкций необходимо учитывать требования сокращенного сортамента в котором нашла отражение не вся номенклатура выпус­каемых заводами изделий, а наиболее распространенные профили проката, изготовленные из эффективных сталей. Частично сорта­мент металлопроката приведен в Приложении 1.

На рис. 2.3 представлены некоторые виды профилей, исполь­зуемых для проектирования стальных конструкций.

Алюминиевые прессованные профили выпускаются различ­ных очертаний, они изготавливаются путем продавливания на­гретой алюминиевой заготовки через стальную матрицу с отвер­стием по форме сечения профиля. Для увеличения жесткости алюминиевых элементов их профили часто имеют утолщение на концах (рис. 2.4). Выпускаются также гнутые профили и листы, выполненные прокаткой.

Длины поставляемых заводами профилей различны, наиболее часто они поставляются длиной 6, 9 и 12 м.