Тонкостенные элементы рам
|
Как было сказано ранее, эффективность двутавровых сечений во многом зависит от соотношения площадей полок и стенки: чем выше это соотношение, тем эффективнее сечение. При определенных соотношениях между высотой стенки и ее толщиной, под действием внешних нагрузок, она теряет устойчивость, что, до недавнего времени, являлось препятствием для дальнейшего уменьшения толщины стенки. Интерес к работе конструкций после потери устойчивости некоторых их элементов (закритическая стадия работы), проявлялся учеными и инженерами достаточно давно, в частности, применительно к тонким пластинам, входящих в состав корабельных или авиационных конструкций. В работах Т. Кармана, С. Леви, П.А. Соколова, П.Ф. Папковича, И.Г. Бубнова, С. П. Тимошенко, А.С. Вольмира и других были разработаны методики по определению нагрузок, которые может выдержать подкрепленная пластинка после потери устойчивости. При этом было введено понятие редукционных коэффициентов, т. е. коэффициентов включения тонкой пластины в восприятие сжимающих усилий. На рис. 1 а показана расчетная схема сжатой пластины, работающей в закритической стадии и эпюры фактических и расчетных нормальных напряжений. Также, было установлено, что даже при действии растягивающих напряжений, следует учитывать неполное включение тонких пластин с начальными несовершенствами. Одним из первых исследователей, изучавших работу конструкций со стенками, работающими в глубокой закритической стадии при действии касательных напряжений, были Т. Карман и Г. Вагнер В работе Вагнера, впервые была использована разработанная им теория диагонального растянутого поля, возникающего при глубокой закритической работе пластин на сдвиг (рис. 1 б).  Достаточно полный обзор исследований по работе сжатых пластин после потери устойчивости, приведен в работах Ф. Блейха, Л.Я. Резницкого и особенно, А.С. Вольмира. В результате этих и других, более современных исследований, было установлено, что конструкции, имеющие в своем составе тонкие пластины, подкрепленные относительно жесткими ребрами, могут воспринимать внешние нагрузки, намного большие, чем нагрузки, определяемые из условия потери устойчивости пластин, входящих в состав этих конструкций. Таким образом, использование закритической работы пластинок позволяет существенно уменьшить их толщину, а следовательно и массу всей конструкции. Действующие нормы расчета строительных стальных конструкций предусматривают использование закритической работы стенок изгибаемых и центрально- или внецентренно-сжатых двутавровых элементов. Изгибаемые элементы (тонкостенные балки симметричного двутаврового сечения) рассчитываются на действие изгибающего момента и поперечной силы. Центрально- или внецентренно-сжатые тонкостенные двутавры рассчитываются на сжатие по формулам для элементов с устойчивыми стенками с заменой полной площади ее редуцированным значением. Общим для обеих методик является то, что при определении геометрических характеристик редуцированного сечения, размеры «выключенной» зоны стенки, потерявшей устойчивость, определяются исходя только из соотношения ее высоты и толщины, т.е. гибкости стенки и не зависят от величины сжимающих напряжений. Во внецентренно-сжатых элементах, при этом, не учитываются изгибающий момент и перерезывающая сила, действующие в элементе, а также смещение центра тяжести редуцированного сечения относительно первоначального, докритического положения. Принятие таких допущений в большинстве случаев идет в запас расчетной несущей способности и обусловлено сложностью точного расчета конструкций с элементами, работающими в закритической стадии. Применение нормативных методик для расчета тонкостенных элементов рамных конструкций переменного сечения встречает определенные трудности, а именно: 1. В элементах рамных конструкций преобладает изгиб при относительно небольших продольных силах и поэтому их сложно однозначно отнести, по классификации норм, к изгибаемым или внецентренно-сжатым. Так, использование нормативной методики для изгибаемых тонкостенных элементов не позволяет учесть в элементах рам влияние продольной силы, напряжения от которой может составлять 5—15 % от расчетного сопротивления стали. Расчет элементов рам по нормативной методике как тонкостенных внецентренно-сжатых конструкций без учета изгибающих моментов и поперечных сил, также может привести к неверным результатам, так как по характеру работы эти элементы, в большинстве случаев, ближе к изгибаемым. 2. Действующие нормы содержат указания по расчету изгибаемых элементов симметричного двутаврового сечения, а элементы рам часто выполняются в виде моносимметричных двутавров с более развитым сжатым поясом. 3. Элементы рам имеют переменное сечение, что может увеличивать или, наоборот, уменьшать критические касательные напряжения для стенок в зависимости от направления перерезывающей силы относительно отсека. 4. В элементах рамных конструкций могут действовать глобальные и локальные продольные силы и изгибающие моменты как в плоскости, так и из плоскости элемента, что не учитывается нормами. Таким образом, использование действующих норм при расчете элементов рамных конструкций переменного сечения без учета особенностей их работы и конструктивных решений, может привести к недооценке или, что более опасно, к переоценке несущей способности этих элементов. Вместе с тем, учитывая достаточно глубокую проработанность норм, можно предположить что при разработке приближенной методики расчета тонкостенных элементов рам, будет достаточным внесение некоторых корректировок в действующие методики. О возможности использования тонкостенных элементов в рамных конструкциях свидетельствует обширный зарубежный и отечественный опыт (например, серия рамных конструкций «Канск»), книга и др. |
