Влияние нагрузок на работу стали в металлоконструкциях


Влияние нагрузок на работу стали

в металлоконструкциях.


     Во время эксплуатации строительные металлоконструкции в основном работают под нагрузкой, которая складывается из веса кровельного покрытия и ограждающих конструкций, веса снегового покрова, ветрового давления, оборудования, грузоподъемных механизмов, динамических и вибрационных колебаний по условиям работы и т.п. Все эти воздействия оказывают негативное влияние на прочность стальных конструкций и долговечность их использования, приводящие в итоге к разрушению металла.

Разрушение стали.

     Наиболее опасно хрупкое разрушение, при котором происходит разрыв межатомных связей материала, возникает внезапно и, как правило, без внешних проявлений. Распространяется лавинообразно за короткое время, начиная с образования микротрещины и последующего полного отрыва. Пластическое разрушение происходит плавней. Довольно легко обнаруживается во время диагностики состояния конструкции, считается менее опасным, так как разрушение можно вовремя предупредить. Образуется в результате сдвига кристаллов при совпадении их ориентирования по плоскости касательных напряжений. Со временем, при многочисленном накоплении пластических деформаций появляются трещины, которые развиваясь, приводят к полному разрушению. Любой элемент металлококонструкции в зависимости от воздействующих факторов (типа нагрузки, концентрации напряжений, температуры и т.п.) подвержен как хрупкому, так и пластичному разрушению.

Влияние осевого растяжения на сталь.

     В строительных стальных конструкциях на растяжение работают некоторые элементы ферм, связи, затяжки арок, подвесные элементы и т.п. При осевом растяжении воздействующая нагрузка совпадает с центром тяжести детали и воздействует в направлении её оси. В условиях приложения растягивающих усилий, происходят упруговозвратные изменения кристаллической решетки, которые исчезают после снятия нагрузки. Дальнейшее увеличение растягивающей силы приводит к упругому деформированию и пластическим сдвигам. Пластические сдвиги после снятия напряжения остаются необратимыми и приводят к остаточным деформациям, причем на этом этапе происходит упрочнение материала за счет искривления линий сдвига и торможения распространения деформации по границам зерен металла. Воздействие растягивающей силы сопоставимое по своим значениям с временным сопротивлением стали служит причиной сосредоточения деформаций на наиболее слабом участке элемента конструкции. Сечение материала в зоне сосредоточения деформаций истончается, соответственно напряжение в суженном месте увеличивается,  результатом чего является разрушение металла (разрыв).

Влияние сложного напряжения на сталь.

     Работа стального элемента при наличии двух, трех равномерных прямолинейных напряжений, называется сложнонапряженным состоянием. Различают два варианта таких состояний. Рассмотрим первый вариант. Допустим, на сталь воздействуют три однозначных силы в направлениях осей х, у и z, и эти силы действуют только на растяжение. В этом случае повышается предел текучести металла, который затрудняет рост пластических деформаций,  зато увеличивается опасность хрупкого разрушения. Во втором варианте рассмотрим приложение неоднозначных сил, при котором по одному направлению происходит сжатие, а по другому растяжение. Здесь уже наоборот, первоначально начинаются пластические деформации, возникающие даже при напряжениях меньше предела текучести. Сталь становится более пластичной.

Влияние неравномерного напряжения на сталь.

     Основным фактором неравномерного распределения напряжений в элементах металлоконструкций являются — отверстия, вырезы, проточки, по границам которых напряжения концентрируются. Линии приложенных к деталям конструкций сил, на таких участках меняют свои траектории, обтекают их и сосредотачиваются, напряжения на искривленных участках увеличиваются. В местах искривления сил, в плоскости появляются два главных напряжения, если деталь довольно толстая, то возникает и третье перпендикулярное напряжение. Напряжения распространяются неравномерно и учитываются коэффициентом концентрации, коэффициент рассчитывается делением максимального напряжения в местах сгущения сил, на номинальное, в сечение ослабленной зоны. Высокие концентрации напряжений на ослабленных сечениях, могут вызвать хрупкое разрушение стального элемента. Наиболее опасными факторами при эксплуатации металлоконструкций с участками концентраций напряжений являются динамические воздействия и резкие температурные перепады.

Влияние повторных нагрузок на сталь.

     Работа строительных сталей в условиях многократного повторяющегося нагружения, может привести к разрушению материала, такое разрушение называют усталостным. Усталость металла с каждым циклом повторных воздействий накапливается, возле границ зерен развиваются и скапливаются дислокации разрыхляющие металл, итогом чего является образование трещин. В зоне трещин происходит дальнейшее истирание стальной поверхности, способствующее развитию трещин и окончательному разрыву стального элемента. Предел выносливости (усталостная прочность) деталей металлоконструкций сильно зависит от наличия в них отверстий, конструктивных форм элементов, необработанных кромок и т.д. Концентрация напряжений в таких местах приводит к значительному снижению усталостной прочности материала. Повышение выносливости на участках концентрации напряжений, достигается путем снижения этих концентраций: обрабатываются кромки, производится зачистка сварных швов, осуществляется предварительная вытяжка конструкций, обеспечивается плавный переход сечений и т.п.