Сталь является одним из популярных строительных материалов наряду с бетоном в строительной индустрии. Высокая прочность и пластичность – основные свойства стали, благодаря которым она используется почти во всех известных небоскребах мира.
Стальные конструкции создаются из отдельных стальных элементов, сваренных или соединенных болтами для получения конечного блока. Тонкие элементы и соединения являются критическими точками стальной конструкции, которые должны быть рассчитаны на критические нагрузки с особой тщательностью. Любое отклонение или ошибка может привести к структурным отказам стальной конструкции, которые зависят от типа действующей нагрузки и типа конструкции.
В статье рассказывается о критических режимах разрушения стальных конструкций.
Виды отказов в стальных конструкциях
Основными видами разрушений, наблюдаемых в стальных конструкциях, являются:
1. Разрушение от сжатия в стальных конструкциях
При рассмотрении стальной конструкции элементами, которые подвергаются сжатию, являются колонны и раскосы. Когда сжимающая нагрузка, действующая на ось элемента конструкции, велика (выше, чем нагрузка, на которую он был рассчитан), это приводит к разрушению при сжатии или смятию элемента.
Смятие стальных колонн
При проектировании конструкции колонны необходимо определить параметр, называемый коэффициентом смятия. Коэффициент податливости определяется как отношение площади поперечного сечения элемента конструкции к длине элемента. Этот параметр влияет на смятие в конструкциях – чем больше коэффициент прочности данного элемента, тем больше вероятность смятия.
2. Разрушение при растяжении в стальных конструкциях
Разрушение при растяжении наблюдается в элементах под нагрузкой на растяжение. Разрушению при растяжении подвергаются консольные элементы или подвесы стальной конструкции. Растягивающая нагрузка, действующая на элемент, выводит его за пределы прочности материала, что приводит к разрушению элемента при растяжении.
Разрушение при растяжении в элементах стальных конструкций происходит на разных стадиях. Это явление начинается с омертвления поперечного сечения материала и, наконец, разрушения материала. Окостенение – это уменьшение площади поперечного сечения под действием растягивающей нагрузки. Разрушение происходит, когда сечение материала достигает наименьшего сечения.
3. Разрушение при изгибе в стальных конструкциях
Разрушение при изгибе происходит в изгибаемых элементах, таких как балки и прогоны. Изгибаемые элементы, когда они подвергаются высокому уровню изгибающих нагрузок, изгибаются или вызывают смятие. Из-за высокой прочности стали они проектируются тонкими и эффективными. Это может привести к смятию или изгибу элемента. Тяжелые и толстые изгибаемые элементы менее подвержены разрушению при изгибе.
Изгибное разрушение (смятие) стальных балок
Изгибаемые элементы подвергаются изгибающим нагрузкам, которые создают в них силы сжатия и растяжения. Не всегда возможно ожидать действие нагрузки в центре изгибаемого элемента. Поэтому вероятен эксцентриситет нагрузки, который приведет к разрушению фланца сжатия стальной балки. Эксцентриситет создаст скручивающий момент на фланце балки, и балка начнет двигаться в боковом направлении. Это называется боковым крутильным смятием.
Для предотвращения смятия стальных конструкций под действием изгибающих нагрузок предусмотрены боковые ограничители. Прочность при изгибе очень сильно зависит от прочности материала. Конструкция разрушается, если изгибающая нагрузка превышает прочность материала.
Колонна – это сжатый элемент, который подвергается аналогичному разрушению при изгибающих нагрузках.
4. Разрушение стальных конструкций при сдвиге
Стальная конструкция представляет собой комбинацию соединений, т.е. соединение элемента с колонной, соединение элемента с балкой и т.д. В этих местах соединений часто происходит разрушение при сдвиге. Каждое соединение в стальной конструкции имеет свое значение напряжения сдвига. Если это значение не учитывается при проектировании соединения, происходит разрушение. Стальные конструкции изготавливаются либо с помощью болтовых, либо сварных соединений, либо их комбинации.
Разрушение при сдвиге в стальных соединениях
Часто задаваемые вопросы
Каковы основные виды разрушения стальных конструкций?
Основными видами разрушений, наблюдаемых в стальных конструкциях, являются:
1. Разрушение при сжатии
2. Разрушение при растяжении
3. Разрушение при изгибе
4. Разрушение при сдвиге
Что вызывает разрушение при сжатии или смятие колонн?
Когда сжимающая нагрузка, действующая на ось элемента, высока (выше, чем та, на которую рассчитан элемент), это приводит к разрушению при сжатии или смятию элемента. Проектирование колонной конструкции включает в себя определение параметра, называемого коэффициентом податливости. Коэффициент прогиба определяется как отношение площади поперечного сечения элемента конструкции к длине элемента. Этот параметр влияет на смятие конструкций. Чем выше коэффициент податливости данного элемента, тем больше вероятность смятия.
Как происходит разрушение в стальных соединениях?
Стальная конструкция представляет собой комбинацию соединений, т.е. соединение элемента с колонной, соединение элемента с балкой и т.д. В этих местах соединений часто происходит разрушение на сдвиг. Каждое соединение в стальной конструкции имеет свое собственное значение напряжения сдвига. Если при проектировании соединения это значение не принимается правильно, происходит разрушение. Стальные конструкции изготавливаются либо с помощью болтовых, либо сварных соединений, либо их комбинации.
Что такое боковое кручение в стальных изгибаемых элементах?
Изгибаемые элементы подвергаются изгибающим нагрузкам, которые создают в них силы сжатия и растяжения. Не всегда возможно ожидать действие нагрузки в центре изгибаемого элемента. Так, вероятен эксцентриситет нагрузки, который приведет к разрушению фланца сжатия стальной балки. Эксцентриситет создаст скручивающий момент на фланце балки, и балка начнет двигаться в боковом направлении. Это называется боковым крутильным изломом.
Как предотвратить боковой крутильный изгиб стальных элементов?
Для предотвращения смятия стальных конструкций под действием изгибающих нагрузок предусмотрены боковые ограничители. Прочность при изгибе очень сильно зависит от прочности материала. Конструкция разрушается, если изгибающая нагрузка превышает прочность материала.
Читать далее:
- Стальные гофрированные полотна в мостовых балках.
- Концепция проектирования высотных зданий из железобетона.
- Мосты с пластинчатыми балками – детали и требования к конструкции.
- Что такое коэффициент податливости железобетонной колонны и как его рассчитать?.
- Процедура проектирования железобетонной тавровой балки с примером.
- Режимы разрушения в бетонных балках: разрушение при изгибе и сдвиге.
- Теория Эйлера о смятии колонны.