З'єднання стінки з полицями - поясні шви

Література:

Обов'язкова: [1] Чертов І.М. Зварні конструкції: Підручник.- К.: Арістей, 2006. с. 233 – 240, 243 - 244.

Додаткова: [2] Клименко Ф.Є. Металеві конструкції:. Львів: Світ 2002 с.

Перевірка загальної стійкості балки. Вузька довга балка без закріп­лення в бічному напрямку і навантажена понад визначену межу, можевтратити стійкість і одержати великі відхилення f в плані (рис.).

Це явище називається втратою загальної стійкості балки, а наванта­ження і напруження, при яких починається втрата загальної стійкості, називаються критичними.

При втраті загальної стійкості починається крутіння поперечного пере­різу балки, у результаті чого відбувається відхилення поясів у плані, і балка, крім вигину у вертикальній площині, піддається також вигинові в горизонтальній площині і крутінню. Очевидно, що чим ширші пояси і більший І_у, тим вищі критичні напруження і стійкіша балка. Критичні нап­руження можуть також бути значно підвищені закріпленням у прольоті верхнього пояса балки від можливого бічного відхилення. Значення кри­тичних напружень залежать від конструктивної форми або схеми балок і в першу чергу від відношення прольоту (або відстані між закріпленнями стиснутого поясу) до ширини пояса LІb_п.

При великих значеннях LІb_п необхідна перевірка балки на загальну стійкість із введенням до розрахункової формули коефіцієнту φ.

Для балок із симетричним перерізом коефіцієнт ер, що являє собою відношення критичного напруження втрати стійкості до границі текучості, визначається за формулою:

де ψ - коефіцієнт, обумовлений по таблиці у залежності від пара­метра α

Таблиця Значення коефіцієнта ψ

У випадку втрати загальної стійкості рекомендується.

1. Змінювати вільну довжину шляхом постановки (якщо це можливо) закріплень від деформації в плані, використовуючи відношення l/b_П = 10...20. Наприклад, дві паралельні балки слід взаємно з'єднати, як показано на рис.

Рис. Закріплення балок в плані

2. Змінювати розміри елементів перерізу балки, головним чином - ши­рину полиці b_п.

Перевірка місцевої стійкості складових елементів перерізу балки. Місцеве деформування окремих елементів конструкцій під дією нормаль­них (стискаючих) або дотичних напружень називається втратою місцевої стійкості. У балках втрата місцевої стійкості пояса або стінки часто є основною причиною втрати несучої здатності. Стінка балки може втратити стійкість від впливу дотичних або нормальних напружень, а також і від спільної їхньої дії.

Втрата стійкості стінки від дотичних напружень. Поблизу від опори стінка балки піддається впливові дотичних напружень, під впливом яких вона перекошується: по лініях скорочених діагоналей стінка стискається, а по лініях подовжених - витягується (рис.).

Рис. Втрата стійкості стінки від дотичних напружень.

Під впливом стиску стінка може деформуватися, утворюючи хвилі, нахилені до осі під кутом приблизно 45°. Для попередження деформу­вання стінки ставлять вертикальні (поперечні) ребра жорсткості, що перетинають можливі хвилі (рис.). Стінка при цьому виходить роз­діленою на прямокутники, обмежені з чотирьох сторін поясами і ребрами жорсткості. Якщо позначити через а відстань між осями ребер жорсткості, через h_ст - висоту стінки і через d - меншу сторону прямокутника, то критичне дотичне напруження в стінці виразиться формулою (з ураху­ванням пружного защемлення стінки в поясах):

де μμ- відношення більшої сторони (α або h_ст) до меншої d; (δ_СТ - товщина стінки.

Розрахунок на стійкість звичайно ведуть у тоннах і сантиметрах. У випадку, якщо μ або відповідно α дуже великі (що в крайньому випадку означає наявність ребер жорсткості тільки на опорах балки), менша сторона d стає рівною h_ст і тоді:

Де k_CT = h_CT /δ_CT – гнучкість стінки.

Визначимо, при якому значенні гнучкості стінки k_CT = h_CT /δ_CT напру­ження

τ_кр може досягти межі текучості τ_т і назвемо таку гнучкість критич­ною гнучкістю k _кр. Вище було зазначено, що τ_т = 0,6σ_т. Підставляючи це значення у формулу для τ_кр знаходимо критичну гнучкість:

Таким чином, при К_кр < 90 стінка при навантаженні досягне текучості від дотичних напружень раніше, ніж втратить стійкість. Для запобігання втрати стійкості рекомендується встановлювати ребера жорсткості на

відстані а_тах = 2...2,5h

З огляду на деякий вплив ребер на характер деформування стінки і ряд спрощень, нормами дозволяється не робити перевірку стійкості стін­ки балки при значеннях гнучкості стінки < 110 , а при наявності місцевого тиску між ребрами жорсткості (σ_m ≠ 0), при значеннях гнучкості стінки k_кр < 80 .

Втрата стійкості стінки від

нормальних напружень. Далеко від опор, ближче до середини балки, вплив дотичних напружень на стінку невеликий; стінка тут піддається головним чином впливові нормальних напружень, через що вона також може втратити стійкість (рис.).

Рис.Втрата стійкості стінки від нормальних напружень

Величина критичних нормальних напружень залежить від закону їх розподілу. Критичні нормальні напруження в стінці балки, що згинається, дорівнюють:

де к₀ приймається по таблиці у залежності від величини γ, що врахо­вує пружне защемлення стінки в поясах:

де b_п і δ_п - ширина і товщина стиснутого поясу балки.

Таблиця. Значення коефіцієнта к₀

Визначимо величину критичної гнучкості, при якому критичне нор­мальне напруження досягає межі текучості σ_т = 2,4 т/см² (для сталі 3). З рівняння для σ_кр_ одеожимо пои к₀ = 6,3:

У випадку вигину стінка починає втрачати стійкість від нормальних напружень при значеннях h_ст /δ_СТ > 162. Однак, з огляду на наближеність ряду передумов, при висновку вищенаведених формул рекомендується критичну гнучкість стінки (при впливі тільки нормальних напружень), приймати рівною: для сталі З к_кр=160,а для інших сталей к_кр = 160 .

Втрата стійкості стінки від спільної дії нормальних і дотичних напружень. При вигині балки в стінці виникає складний напружений стан від спільної дії нормальних і дотичних напружень, що може викли­кати втрату місцевої стійкості стінки.

Перевірка стінки балки на стійкість проводиться по відсіках (прямо­кутниках), що утворяться між поясами балки і ребрами жорсткості. Зміню­ючи відстань між ребрами жорсткості, можна одержати таке співвідно­шення сторін відсіку, при якому стінка балок буде стійкою.

Намітивши попереднє розміщення ребер жорсткості з максимально можливими відстанями між ними (а = 2...2,5h_ст), перевіряють стійкість стінки при спільній дії нормальних і дотичних напружень. Дослідженнями С. П. Тимошенко, П. Ф. Папковича і потім Б. М. Броуде встановлено, що стійкість стінки буде забезпечена при виконанні умови:

де σ і τ - розрахункові напруження в стінці балки; σ_кр, τ_кр - критичні значення нормальних і дотичних напружень при їхній роздільній дії, дорівнюють:

Розрахункове напруження σ обчислюється по перерізу брутто і визначається за середнім значенням згинаючого моменту в межах відсіку, якщо його довжина не перевищує висоту балки; у протилежному випадку σ обчислюється за середнім значенням моменту для най­більш напруженої ділянки з довжиною, що дорівнює висоті відсіку. Середнє дотичне напруження в стінці обчислюється за Формулою:

це Q - середнє значення поперечної сили в межах відсіку.

Коефіцієнт к₀ приймається по таблиці в залежності від величи­ни γ:

Таблиця Значення коефіцієнта к

При розташуванні зосереджених вантажів у місцях, не укріплених ребрами жорсткості, стійкість стінки повинна перевірятися за Формулою:

при цьому місцеве напруження σ_мкр визначається за формулою:

де а - відстань між осями ребер жорсткості, к₁ - коефіцієнт з таблиці

Таблиця Значення коефіцієнта к, для зварних балок

З'єднання стінки з полицями - поясні шви. Поясні шви - це дво­сторонні таврові з'єднання із суцільними кутовими швами катетом К без або з розкриттям кромок. Катет К, як правило, призначається згідно стандарту і підлягає перевірці на міцність. Можливі декілька варіантів:

1. Шви без розкриття кромок, зосереджена сила відсутня (рис.).

Рис.

У цьому випадку в шві бу­дуть діяти тільки дотичні напруження τ_Q від попе­речної сили Q Тоді умова міцності:

2. Шви без розкриття кромок, зосереджена сила присутня (рис.).

Рис.

У цьому випадку у шві будуть діяти дотичні напруження τ_Q від поперечної сили Q і дотичні напруження τ_p від зосередженої сили Р.

Внаслідок наявності зазору а між стінкою і полицю через неможливість забезпечення контакту стінки з полицею по всій довжині, прийнято, що 0,4Р діє на шви, а решта на стінку. Тоді умова міцності:

де z - умовна довжина впливу зосередженої сили на стінку;

3. Шви з розкриттям кромок, зосереджена сила відсутня (рис. 6.20).

Рис.

У цьому випадку в шві будуть діяти тільки дотичні напруження τ_Q від поперечної сили Q. Умова міцності має вигляд:

4. Шви з розкриттям кромок, зосереджена си­ла присутня (рис.).

Рис.

У цьому випадку в шві будуть діяти дотичні напруження τ_Q від попе­речної сили Q і нормальні напруження τ_p.

Умова міцності за еквівалентними напру­женнями має вигляд:

де

Зварні з'єднання ребер жорсткості. Ребра жорсткості слід прива­рювати до стінки суцільними двосторонніми швами з мінімальним кате­том. Торці ребер виконуються зі скосом ЗО х ЗО мм. Як правило, ці шви не підлягають перевірці на міцність.