Как рассчитать прочность конструкции
Как рассчитать прочность конструкции
Настоящий стандарт устанавливает основные положения и требования к проведению расчетов и испытаний на прочность в машиностроении и их нормативно-техническому обеспечению.
Основные термины и их пояснения, относящиеся к расчетам и испытаниям на прочность, приведены в приложении 1.
Стандарт не распространяется на расчеты и испытания на прочность продукции, предназначенной только для нужд обороны и атомной энергетики.
1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ТРЕБОВАНИЯ
1.1. С целью выбора и обоснования конструктивно-технологических параметров, обеспечивающих со стадии проектирования прочность, надежность и безопасность функционирования изделий и (или) их составных частей, должны проводиться расчеты и (или) испытания на прочность.
Номенклатура видов изделий отрасли (подотрасли) и (или) их составных частей, для которых должны проводиться расчеты и (или) испытания на прочность, определяется на основе групп однородной продукции разработчиком этой продукции по согласованию с заказчиком.
1.2. Расчеты и испытания на прочность на стадиях разработки и производства изделий должны включать:
1) проектные и поверочные расчеты;
2) исследовательские испытания;
3) испытания в составе предварительных, приемо-сдаточных, периодических, типовых и других контрольных испытаний.
В отдельных случаях (при создании изделий и (или) их составных частей по прототипу, их модификации, модернизации, доводке и т.д.) допускается проведение только поверочных расчетов и (или) контрольных испытаний.
С целью оценки работоспособности поверочные расчеты и (или) контрольные испытания на прочность могут проводиться для изделий, находящихся в эксплуатации (при продлении ресурса, внесении конструктивно-технологических изменений и т.п.).
1.3. Расчеты и испытания на прочность видов изделий отрасли (подотрасли) и (или) их составных частей должны проводиться в соответствии с нормами, установленными в отраслевом комплексе нормативно-технических документов (НТД), типовая структура которого, а также требования к построению и содержанию документов, входящих в него, указаны в приложении 2.
В этих документах должны быть установлены значения коэффициентов запаса прочности (или величины допускаемых напряжений), долговечности, устойчивости и т.п., а также условия эксплуатации, испытаний и другие сведения, необходимые в том числе и для вероятностной оценки прочности изделий.
Наряду с нормами и методами, регламентированными в НТД, допускается применение и других, позволяющих получить не меньшую точность, достоверность, сопоставимость и информативность результатов расчетов и испытаний.
2. ДОКУМЕНТАЦИЯ ПО РАСЧЕТАМ И ИСПЫТАНИЯМ
НА ПРОЧНОСТЬ
Документация по расчетам и испытаниям на прочность должна являться составной частью технической документации на изделие.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Справочное
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ИХ ПОЯСНЕНИЯ
1. Объект расчетов и (или) испытаний на прочность
Изделие и (или) его составные части (детали, сборочные единицы)
Состояние объекта, обусловленное внешними воздействиями и условиями функционирования.
1. Характеристиками нагруженности объекта могут быть: нагрузка, напряжение, напряжение цикла, деформация, перемещение, коэффициент интенсивности напряжений, длительность и число циклов нагружения и т.д.;
(1)
является коэффициентом запаса
3. Нормативный коэффициент запаса
Коэффициент запаса [ ], устанавливаемый НТД
4. Допускаемые характеристики нагруженности объекта
(2)
5. Условие прочности объекта (детерминированное)
(3)
(4)
Примечание. Условие прочности объекта могут выражаться также неравенствами вида:
(5)
(6)
(7)
— предельные значения размеров и характеристик сечений (значения ниже которых приводят к частичной или полной потере работоспособности объекта)
6. Расчет на прочность
Расчетная проверка выполнения условий прочности объекта
Схема объекта, используемая при расчете, которая отражает основные особенности конструкции и нагруженности объекта.
Примечание. В зависимости от целей, вида и метода расчетов для данного объекта могут быть выбраны различные расчетные схемы.
8. Проектный расчет (расчет для выбора размеров)
Расчет, проводимый при разработке проекта объекта с целью определения его основных размеров и выбора конструкционных материалов при заданных характеристиках нагруженности или определения этих характеристик при заданных размерах объекта и материалах
9. Поверочный расчет
Расчет, проводимый при разработке (доработке) проекта и (или) изготовлении и эксплуатации объекта с целью проверки выполнения условий его прочности для выбранных размеров и вида материалов с учетом заданных режимов эксплуатации, ресурса и срока службы, технологии изготовления и конструктивных особенностей объекта
10. Испытания на прочность
Примечание. Приведенные термины и их пояснения следует использовать для терминологического обеспечения нормативно-технических, руководящих и методических документов по расчетам и испытаниям на прочность в машиностроении.
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Рекомендуемое
ТИПОВАЯ СТРУКТУРА КОМПЛЕКСА НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИХ
И МЕТОДИЧЕСКИХ ДОКУМЕНТОВ ПО РАСЧЕТАМ И ИСПЫТАНИЯМ
НА ПРОЧНОСТЬ ВИДОВ ИЗДЕЛИЙ ОТРАСЛИ (ПОДОТРАСЛИ)
И (ИЛИ) ИХ СОСТАВНЫХ ЧАСТЕЙ
1. ОБЩИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
Настоящее приложение рекомендует типовую структуру комплекса нормативно-технических и методических документов по расчетам и испытаниям на прочность видов изделий отрасли (подотрасли) и (или) их составных частей. На основе рекомендуемой типовой структуры каждая отрасль (подотрасль), с учетом особенностей разработки, испытаний и опыта эксплуатации своих изделий, разрабатывает структуру указанного комплекса, предусматривая при этом создание недостающих документов для его формирования в полном объеме.
2. СОСТАВ КОМПЛЕКСА НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИХ
И МЕТОДИЧЕСКИХ ДОКУМЕНТОВ
Комплекс документов включает в себя (см. схему):
1) нормативно-технические и методические документы, устанавливающие основные положения и требования к проведению расчетов и испытаний на прочность изделий при их проектировании, изготовлении и эксплуатации;
2) нормативно-технические и методические документы, устанавливающие нормы прочности изделий и (или) их составных частей, а также нормы прочности и перечень используемых для них конструкционных материалов;
3) нормативно-технические и методические документы, устанавливающие метод расчета и испытания на прочность изделий и (или) их составных частей, в том числе деталей и узлов общемашиностроительного применения (крепеж, подшипники и т.п.), входящих в состав изделий;
4) нормативно-технические и методические документы, содержащие методы расчета и экспериментального определения характеристик нагруженности, напряженно-деформированного состояния, колебаний, устойчивости, несущей способности и долговечности типовых составных частей изделий различных отраслей и других, а также методы механических испытаний материалов и физические методы исследования деформирования и разрушения.
СХЕМА КОМПЛЕКСА НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИХ
И МЕТОДИЧЕСКИХ ДОКУМЕНТОВ
3. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИХ
И МЕТОДИЧЕСКИХ ДОКУМЕНТОВ, ВХОДЯЩИХ В ОТРАСЛЕВОЙ КОМПЛЕКС
3.1. Нормы прочности изделий отрасли
3.1.1. Нормы прочности изделий отрасли предназначаются для обеспечения и оценки прочности и эксплуатационных характеристик изделий.
В этих документах устанавливаются:
1) критерии и характеристики, по которым производится оценка прочности изделий;
2) виды и характеристики нагрузок;
3) запасы прочности (несущей способности, устойчивости, долговечности и т.д.), а также и (или) допускаемые напряжения, деформации и т.д.
В документах могут быть также установлены:
1) режимы функционирования;
2) требования к расчетным схемам и методам расчета изделий и их составных частей и сами методы;
3) требования к механическим и технологическим свойствам материалов;
4) вероятностные критерии оценки прочности.
Разделы и подразделы этих документов могут дифференцироваться по составным частям изделий, по критериям и методам (расчетным или экспериментальным) для оценки прочности и т.п.
Приложения могут содержать уточненные методы расчета основных узлов и деталей, алгоритмы, программы и ссылки на них, справочные данные для расчета, характерные примеры расчета, сведения по механическим свойствам материалов, требования к осуществлению и контролю за наиболее ответственными технологическими операциями, непосредственно влияющими на прочность изделия и т.п.
Как рассчитать прочность конструкции
Расчет стальных конструкций следует выполнять с учетом назначения конструкций, условий их изготовления, транспортирования, монтажа и эксплуатации, а также свойств материалов.
В расчетных схемах должны быть учтены деформационные характеристики опорных закреплений, оснований и фундаментов.
При расчете конструкций значения нагрузок и воздействий, а также предельные значения прогибов и перемещений элементов конструкций следует принимать согласно требованиям СП 20.13330 Нагрузки и воздействия и СП 16.13330 Стальные конструкции.
За расчетную температуру в районе строительства следует принимать температуру наружного воздуха наиболее холодных суток согласно СП 131.13330 Строительная климатология.
При проектировании стальных конструкций следует выполнять требования:
(действует с 1 сентября 2021 года);
Расчетные схемы и основные предпосылки расчета должны отражать действительные условия работы стальных конструкций.
Элементы конструкций подразделяются на три класса в зависимости от напряженно-деформированного состояния (НДС) расчетного сечения:
В зависимости от назначения, условий работы и наличия сварных соединений конструкции следует подразделять на группы согласно приложению В СП 16.13330.
При расчете конструкций и соединений следует учитывать:
— коэффициент надежности 1,3 для элементов конструкций, рассчитываемых на прочность с использованием расчетных сопротивлений ;
Расчетные характеристики материалов для элементов стальных конструкций приведены в разделах 7-12 СП 16.13330.
Как рассчитать металлоконструкции на прочность
Проектировщик в процессе проектирования ищет не только оптимальные варианты металлоконструкций, но еще формирует проектную документацию и предугадывает работу металлоконструкций в разных условиях эксплуатации. Особого внимания заслуживает вопрос, как рассчитать металлоконструкции на прочность, чтобы при строгом обосновании размеров и габаритов, они отвечали заданным условиям эксплуатации на всем сроке службы.
Часто в техническом задании (ТЗ) заказчика отображаются такие условия эксплуатации, которые противоречат привычной расчетной модели, построенной на типовых расчетах. Например, минимальный расход металла и надежность, которые определяются специалистом в процессе поиска оптимального конструктивного решения, в реальности трудносопоставимые величины. Как рассчитать металлоконструкции на прочность с учетом изменчивости внешних воздействий, разброса прочностных характеристик стали и особенностей работы металлоконструкций в конкретных условиях?
Приняв внешние воздействия в самом широком смысле, включая природные, механические, технологические и даже экстремальные, можно провести расчет любых металлических и строительных конструкций, используя «СП 20.13330.2011 Нагрузки и воздействия».
Говоря о нагрузках недостаточно учитывать только факторы внешний воздействий. В проектируемых металлоконструкциях также учитываются граничные условия, контакт, трение, закрепление. Эти показатели необходимо грамотно ввести в программу, чтобы получить правильный результат. Расчетная модель металлоконструкций изображается в 3D программе вместе с используемыми формулами расчета. Построение расчетной модели и является расчетом металлических конструкций на прочность.
Обычно, металлоконструкции рассчитываются на силовые и другие воздействия, определяющие их напряжение и деформацию по предельным состояниям с учетом работы в упругой зоне. Если речь идет о металлоконструкциях, эксплуатирующихся в особых условиях, как рассчитать металлоконструкции на прочность?
Прежде всего определим, какие состояния называются предельными. В предельном состоянии любые металлоконструкции перестают удовлетворять заданным эксплуатационным требованиям или требованиям при производстве работ. В расчетах на действие статических и динамических нагрузок и воздействий в течение заданного срока службы, учитываются следующие предельные состояния:
Как рассчитать металлоконструкции на прочность при нарушении нормальной эксплуатации? В случае производится расчет усиления конструкции. Поскольку расчетная схема состоит из формул, то для I группы предельных состояниях по несущей способности она будет записываться в общем виде: N
Как рассчитать прочность конструкции
Пример расчета треугольной фермы
При расчете промышленных ферм, перекрывающих большие пролеты и работающих под большими нагрузками, может использоваться до 10-15 видов сечений, точнее профилей с различными параметрами сечения. Это связано с тем, что напряжения в стержнях фермы разные и потому максимально точный подбор сечения при промышленных объемах производства ферм дает ощутимую экономию. В частном же строительстве при изготовлении ферм используются 1-2, максимум 3 вида сечений, не только из экономических, но и из эстетических соображений и потому достаточно рассчитать максимально нагруженные стержни и по этим показателям принимать сечение для остальных стержней фермы. В общем виде это может выглядеть примерно так:
Расчет перемычки из металлических профилей для перегородок
Хорошо, когда при выполнении кладочных работ есть железобетонные перемычки. Инженеры-технологи уже поработали, заложили в перемычки арматуру нужного сечения и указали несущую способность перемычки в маркировке (последняя цифра перед буквой П, чтобы определить нагрузку на погонный метр в килограммах нужно эту цифру умножить на 100). А вот для людей собирающихся делать перемычку из металлических уголков, швеллеров или других прокатных профилей, такого удобства нет. Я тоже не сильно облегчу проблему подбора сечения так как вместо большой всеобъемлющей таблицы приведу
Металлические балки перекрытия
Расчет профнастила для кровли
При устройстве обычной кровли по обрешетке шагом 50-60 см никакого особенного расчета профнастила как правило не требуется. Даже и так называемый стеновой профилированный лист отлично справляется с нагрузками. Однако бывают случаи, когда хочется сделать шаг обрешетки больше или шаг обрешетки обусловлен конструкцией кровли. В таких случаях проверить несущую способность выбранного профлиста, а заодно проверить его на прогиб совсем не помешает. Если профнастил соответствует требованиям ГОСТ 24045-94, то весь расчет займет не более 10 минут, если в разумных пределах воспользоваться «Рекомендациями по применению стальных профилированных настилов нового сортамента в утепленных покрытиях производственных зданий» 1985 года выпуска.
Расчет пола в гараже
Обычно при строительстве гаражей проблемы, как и из чего сделать пол, не возникает. Но ситуации бывают разные, например человек хочет сделать в гараже подвальное помещение для хранения картошки или релаксации после наездов жены. Пример: строится гараж размерами 6х4 м под автомобиль массой 1500 кг. Перекрытие предполагается сделать из досок, уложенных на металлические профили. В наличии имеются профильные трубы 60х60х3.5 мм и возникает вопрос: можно ли использовать профильные трубы и если да, то через какое расстояние их укладывать?
Расчет прочности потолочного профиля для гипсокартона
Гипсокартон прочно и безвозвратно вошел в нашу жизнь, причем случилось это намного раньше, чем в стране появились металлические профили для монтажа гипсокартона. Старые строители еще помнят «сухую штукатурку», ныне называемую гипсокартоном, которая использовалась с 50 годов в строительстве, однако широкого распространения из-за недостатков технологии производства сухой штукатурки и проблем с монтажом листов широкого распространения не получила.
В усовершенствованном виде и под маркой компании Knauf гипсокартон пришел к нам из Германии, но главное, что вместе с листовым материалом пришли и оцинкованные профили каркаса. Продуманная до мелочей система монтажа металлического каркаса и крепления гипсокартонных листов к каркасу превратила отделку стен и потолков в простое и быстрое занятие. Теперь и гипсокартонные листы и все виды профилей, включая потолочные, направляющие и стеновые, а также фурнитуру к ним в виде подвесов, соединительных скоб, саморезов, дюбелей для быстрого монтажа и др. производит множество отечественных фирм.
Расчет металлического косоура
Как правило при устройстве лестничных маршей по металлическим косоурам используются уже готовые типовые решения. Тем не менее никогда не помешает проверить несущую способность косоура, который был принят не по расчету, а исходя из конструктивных соображений и наличия в продаже.
Например, продолжим рассмотрение ситуации, с которой столкнулся один из посетителей сайта. Проектируется 2-х маршевая лестничная клетка, размеры в плане 5800х2600 мм. Под каждой лестничной площадкой на продольные кирпичные стены толщиной 380 мм опираются по 2 стальные балки из двутавра высотой h = 270 мм. Сверху на стальные балки опираются металлические косоуры также из двутавра высотой h = 270 мм. Ну и выше монолитная ж/б площадка высотой h = 110 мм. Впрочем, знать толщину площадки для расчета косоура не нужно.
Максимальная нагрузка на стальную колонну
Как правило определение параметров сечения стальных колонн при уже известной нагрузке производится согласно требований существующих нормативных документов, в частности согласно СНиП II-23-81 (1990) «Стальные конструкции» или СП 16.13330.2011, являющегося актиализированной редакцией вышеуказанного СНиПа. Но иногда перед проектировщиком стоит обратная задача, когда сечение и прочие параметры колонны уже известны и нужно узнать, какую максимальную нагрузку такая колонна выдержит.
Конечно же, решение этой обратной задачи большого труда не составляет. Для этого можно воспользоваться все теми же нормативными документами. Вот только знания площади сечения колонны и ее реальной длины будет не достаточно.
Несущая способность металлической балки
Иногда люди сначала делают перекрытие по металлическим балкам, а потом начинают задумываться, какова несущая способность таких металлических балок или проще говоря, какую нагрузку такая балка выдержит?
Ответ на этот вопрос достаточно прост, так как основные параметры поперечного сечения уже известны во всяком случае их несложно определить по соответствующим таблицам. Вот только виды нагрузки и опорных связей могут быть разными, поэтому каждый случай нужно рассматривать отдельно. Начнем с самого распространенного:
Прогиб стальной пластины, шарнирно опертой по контуру
Особенность работы пластин, с шарнирным опиранием по контуру в том, что чем больше прогиб такой пластины, тем больше ее прочность, как ни странно это звучит.
Дело в том, что геометрическая форма поперечных сечений балок, рассчитываемых на линейную нагрузку, остается неизменной (во всяком случае так предполагается для упрощения расчетов), наличие прогиба никак на эту форму не влияет. А вот геометрическая форма поперечных сечений пластин при наличии прогиба изменяется и там, где прогиб максимальный, изменения формы поперечного сечения также максимально.
А раз изменяется геометрическая форма сечения, значит изменяется момент инерции и момент сопротивления сечения. Так как прогиб увеличивает условную высоту рассматриваемого сечения, то это и приводит к увеличению момента инерции и к увеличению момента сопротивления.
Расчет на устойчивость стальной арки
При расчетах на устойчивость помимо всего прочего необходимо знать расчетную длину и предельно допустимую гибкость рассматриваемого элемента, в данном случае стальной арки. Как ни странно, но в ныне действующих нормативных документах, в частности в СНиП II-23-81* (1990) «Стальные конструкции» нет отдельных требований по проверке устойчивости стальных арок.
Расчет металлической балки под лестничные марши
Недавно один из посетителей обратился ко мне со следующим вопросом:
Добрый вечер Доктор Лом, хочу рассчитать балку под площадкой лестничной клетки, 2х маршевая лестничная клетка размеры в плане 5800х2600, под каждой площадкой на продольные кирпичные стены (380 мм) опираются по 2 стальные балки (двутавр h=270), сверху на стальные балки опираются металлические косоуры (двутавр h=270) ну и выше монолитная ж/б площадка=110 (общая высота 270+270+110=650 мм) если я правильно понимаю на балку приходится распределенная нагрузка от площадки и 4 сосредоточенных силы (по 2 косоура на марш), поправьте если я не прав и подскажите каким примером лучше воспользоваться для расчёта балки?
Расчет стальных однопролетных балок с шарнирными опорами при изгибе согласно СП 16.13330.2011
В связи с этим при расчете стальных балок, работающих на изгиб, помимо обычного и вполне понятного требования к изгибаемым элементам:
Примерный текст свода правил дан курсивом. При этом конечно же рассчитывать стальные балки следует, руководствуясь именно нормативными документами, а данная статья, не более чем мое понимание изложенного в нормативных документах.
Примеры расчета металлических конструкций. Общие положения
Металлические конструкции имеют очень высокие технико-экономические качества по сравнению с деревянными, каменными и даже железобетонными конструкциями. В связи с этим металлические конструкции получили очень широкое распростанение в промышленном и гражданском строительстве. В малоэтажном частном строительстве металлические конструкции используются все чаще и чаще.
Использование металлических конструкций позволяет значительно уменьшить массу строительных конструкций, добиться поточного производства и монтажа на стройплощадке, что в свою очередь значительно сокращает сроки строительства.
05.11.2017. Про усиление стальных конструкций бетоном
Здравствуй, Сережка Ермолаев, мой милый тролик с улицы Институт Ионосферы, дом 1, квартира 13, город Алматы, Казахстан.
Ты молодец, поздравляю тебя.
Я говорил, что «Возможно ваш вопрос, особенно если он касается расчета конструкций, так и не появится в общем списке или останется без ответа, даже если вы задатите его 20 раз подряд. Почему, достаточно подробно объясняется в статье «Записаться на прием к доктору» (ссылка в шапке сайта)»?
Говорил. И не просто говорил, а это примечание находится прямо под формой заполнения комментариев, которую ты трижды использовал, чтобы меня потролить.
Я говорил в статье «Записаться на прием к доктору», что:
«UPD 19.09.2017(23.31). Прием окончен с 01.09.2017. Я заскучал. Продолжение следует. Следите за обновлениями. будет ржака. И да. Теперь достучаться до Доктора Лома будет очень сложно, но пробуйте. Мне по-прежнему интересны настоящие люди, а тем более игроки. Возможно вы тот самый, избранный, которому я передам свое знание.
Теперь любой взнос суммой до 30$ рассматривается как помощь доктору на лекарства и детям на пропитание и даже если вы переведете 300 или там 3000$ в вашей местной валюте, то это все равно ни к чему меня не обязывает. Я действительно стар и мне осталось недолго, а так хочется рассказать вам одну занимательную историю, которая стоит больше, чем все ваши деньги и проблемы вместе взятые.»?
Область применения металлических конструкций
Сейчас металлические конструкции очень широко используются при строительстве самых разных зданий и сооружений, в частости в малоэтажном частном строительстве.
Причин этому несколько. Металлические конструкции по сравнению с конструкциями из других строительных материалов имеют значительно большую прочность (что обусловнено плотностью металла или удельным весом), большую эффективность соединений элементов металлических конструкций (вожможны как сварка, так и болтовые соединения), более высокую степень индустриализации изготовления и монтажа. Кроме того металлические конструкции на болтовых соединиях могут быть собраны и разобраны достаточно большое количество раз.
Также к достоинствам металлических конструкций следует отнести относительно малый собственный вес конструкций, высокую водо и газонепроницаемость, возможность быстрого монтажа, соответственно быстрого ввода в эксплуатацию зданий.
Расчет металлических колонн
Часто люди, делающие во дворе крытый навес для автомобиля или для защиты от солнца и атмосферных осадков, сечение стоек, на которые будет опираться навес, не рассчитывают, а подбирают сечение на глаз или проконсультировавшись у соседа.