В работе*(7) учет осесимметричного начального искривления и развития пластических деформаций сведен к расчету за пределом упругости внецентренно-сжатого стержня, лежащего на упругом основании. При этом показано, что для оболочек малой и средней гибкости учет неупругой работы материала оказывает существенное влияние на предельную нагрузку при потере устойчивости. С использованием некоторых допущений получена расчетная формула (100) в СНиП II-23-81* для практических расчетов оболочек при достаточно малых значениях .
В случае комбинации осевого сжатия круговой цилиндрической оболочки с внутренним равномерным давлением критическое значение осевых напряжений повышается. Для практических расчетов можно пользоваться рекомендациями Фына и Зехлера*(8), применимыми к оболочкам, теряющим устойчивость в пределах упругости. Осевое критическое напряжение определяется по формуле
, (59)
но принимается не более чем ,
где - осевое критическое напряжение при отсутствии внутреннего давления;
- окружное напряжение от внутреннего давления.
Формулой (59) можно пользоваться при комбинации внецентренного сжатия с внутренним давлением. В этом случае под понимается соответствующее значение, принимаемое согласно п. 8.5 СНиП II-23-81*. Следует подчеркнуть, что указанный способ применим лишь в пределах упругости, т.е. при .
8.3 (8.6). Формула (101) СНиП II-23-81* относится к случаю, когда на сжатый или сжато-изгибаемый трубчатый стержень действует расчетная нагрузка, определяемая в соответствии с требованиями разд. 5 СНиП II-23-81*. Если проверка по этим требованиям дает запас несущей способности, превышающий 20%, то ограничение по формуле (101) СНиП II-23-81* можно снять и оболочку в этом случае необходимо рассчитывать на устойчивость при сжатии с изгибом согласно требованиям п. 8.5 СНиП II-23-81*, а расчетное напряжение определять по формуле
, (60)
где - расчетное осевое напряжение;
- относительный эксцентриситет [ ; M - расчетный момент; в случае осевого сжатия значение е следует принимать по формуле (19)];
- условная гибкость трубчатого сечения ( ).
8.4 (8.8). Требование проверки устойчивости кольцевых ребер в своей плоскости как сжатых стержней и получаемые при этом их размеры исходят из того, что ребра являются жесткими элементами, обеспечивающими образование узловой линии по окружности оболочки.
В ряде случаев рассматриваемые конструкции могут рассчитываться как оболочки, подкрепленные гибкими шпангоутами [21], при этом указанные требования для кольцевых ребер жесткости могут быть несколько смягчены.
9. Расчет элементов стальных конструкций на выносливость
9.1 (9.1). Выносливость стальных конструкций зависит от ряда факторов. Главными из них являются:
величина максимального напряжения в рассчитываемом элементе (или амплитуда напряжений );
концентрация напряжений, зависящая от конструкции элемента и типа соединений (группа элементов);
характер циклической нагрузки (стационарная, нестационарная);
число циклов нагружений за период эксплуатации конструкций;
температура эксплуатации конструкции и т. п.
9.2 (9.2*). Методика расчета на выносливость СНиП II-23-81* исходит из того, что явления усталости в элементе возникают под воздействием максимальных напряжений . Существует и другой подход, согласно которому основное влияние на усталостное разрушение оказывает амплитуда напряжений цикла . Поскольку обе методики опираются на одни и те же экспериментальные данные и являются их аппроксимацией, конечные результаты, получаемые при их использовании, мало отличаются друг от друга.
9.3 (9.2*). Применение сталей повышенной и высокой прочности в конструкциях, подверженных циклическим воздействиям, является оправданным только при отсутствии в них существенных концентраторов напряжений (1- и 2-я группы элементов табл. 83* СНиП II-23-81*). В остальных случаях (3-8-я группы элементов табл. 83* СНиП II-23-81*) применение сталей с повышенными прочностными показателями к повышению выносливости не ведет и потому их применение должно иметь соответствующее инженерное и экономическое обоснование.
9.4 (9.2*). Подавляющее большинство строительных конструкций, работающих на переменные воздействия, находится в условиях изменчивости напряжений во времени (амплитуда напряжений во времени не является постоянной), т. е. режим нагрузок (и напряжений) не является стационарным.
Учет нестационарности нагрузок позволяет на 10-20% повысить расчетную выносливость [правая часть формулы (115) СНиП II-23-81*] для всех групп элементов [влияние нестационарности приближенно учтено при назначении числовых коэффициентов в формулах (116) и (117) СНиП II-23-81*].
9.5. Эксплуатация конструкций при температуре до минус 40°С не снижает выносливости стальных конструкций.
При более низких температурах эксплуатации требуются специальные мероприятия по повышению выносливости конструкций: применение сталей, удовлетворяющих требованиям по ударной вязкости; исключение соединений с наиболее острыми концентраторами напряжений (7 и 8-й групп элементов); применение технологических мероприятий по повышению выносливости сварных соединений (механическая обработка швов, оплавление их в струе аргона и т. п.).
Расчет на малоцикловую прочность
9.6 (9.3). Расчет металлических конструкций на малоцикловую прочность ведется на переменные усилия при наличии спектра эксплуатационных нагрузок и распространяется на металлические конструкции, эксплуатирующиеся при пониженных (до минус 40°С), нормальных и повышенных (до 250°С) температурах.
9.7 (9.3). Срок эксплуатации металлических конcтрукций и спектр действующих эксплуатационных нагрузок должны быть заданы при их проектировании. Примеры спектра переменных нагрузок приведены в табл. 40 (газгольдеры аэродинамических труб) при коэффициенте асимметрии .
Таблица 40
Давление, % от р | Число нагружений | Частота нагружений, % |
100 | 2 | 0,01 |
85 | 21 | 0,1 |
70 | 299 | 1,5 |
54 | 881 | 4,4 |
37 | 897 | 4,5 |
28 | 17930 | 89,5 |
Итого: | N = 2 x 10(4) | 100,0 |
Для воздухонагревателей доменных печей цикл изменения внутреннего давления от 0 до р остается постоянным и за 20 лет эксплуатации составляет .
Магистральные газо- и нефтепроводы за 20 лет эксплуатации испытывают циклов с изменением давления от 0 до р.
9.8 (9.3). Проверка малоцикловой прочности основного металла элементов или соединений на сварке, болтах или штырях для циклов производится по формуле
, (61)
где - базовое число циклов нагружения при расчете на малоцикловую прочность;
N - малоцикловая долговечность элемента металлической конструкции (при данный расчет и расчет на выносливость по СНиП II-23-81* совпадают);
m, - параметры, характеризующие угол наклона кривой малоцикловой усталости; ; - принимается по табл. 41;
с - коэффициент, принимаемый по табл. 42.
Таблица 41
Нормативное временное сопротивление стали R_un, МПа (кгс/см2) | До 390 (4000) | Св. 390(4000) до 450(4600) | Св. 450(4600) до 490(5000) | Св. 490(5000) до 540(5500) | Св. 540(5500) до 590(6000) | Св. 590 (6000) |
Параметр m_0 | 0,16 | 0,18 | 0,20 | 0,22 | 0,24 | 0,26 |
Таблица 42
Группа элементов по СНиП II-23-81* | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
Коэффициент с | 1,0 | 0,90 | 0,80 | 0,75 | 0,72 | 0,68 | 0,65 | 0,62 |
Остальные обозначения принимаются по п. 9.2* СНиП II-23-81*.
При для 1- и 2-й групп элементов , для 3-8-й групп элементов .
При расчетах на малоцикловую прочность по формуле (61) значение произведения не должно превышать .
Пример расчета. Необходимо рассчитать на малоцикловую прочность горизонтальный газгольдер вместимостью 178 , наружным диаметром d=3250 мм, длиной 23 м. Газгольдер изготовлен из листовой стали Ст3 [ =450 МПа (4600 )] толщиной стенки в цилиндрической части t = 16 мм, сферических днищ - 10 мм. Газгольдер нагружается пульсирующим давлением до 11 ати с эксплуатационным числом циклов . Эксплуатация газгольдера производится при нормальной температуре.
Для проверочного расчета выбраны два вида сварного соединения:
первый вид - основной металл над шпангоутом (7-я группа соединений по СНиП II-23-81*). При рабочем давлении 11 ати нормальное напряжение в основном металле МПа (в направлении, перпендикулярном шпангоуту).