Волик А.Р. Конструкции из дерева и пластмасс

Подождите немного. Документ загружается.

При наличии ослаблений в пределах длины равной 20 см в разных

сечениях поверхность разрыва всегда проходит через них. Поэтому при

определении ослабленной площади сечения

inf

A все ослабления на этой

длине суммируются, как бы совмещаются в одном сечении (рис. 5.1, г).

100

,мм

б)

в)

г)

200

1-1

t,0 МПа

t,0

Рис. 5.1. Растянутый элемент:

а – схема работы; б – диаграмма деформирования чистой без пороков древесины

при кратковременном растяжении; в – схема разрушения; г – эпюры напряжений

при наличии ослаблений

Расчет центрально-растянутых элементов по прочности производит-

ся по формуле

dtdt

.o..o.

≤

;

inf

.o.

=σ

, (5.1)

где

N – расчетная осевая сила;

inf

A – площадь поперечного сечения эле-

мента нетто. При определении

inf

ослабления сечения, расположенные на

участке длиной до 0,2 м, принимают совмещенными в одном сечении.

По 2-й группе предельных состояний (по деформациям) растянутые

элементы не проверяются.

5.2. Расчет сжатых элементов

На сжатие работают стойки, подкосы, верхние пояса и отдельные

стержни ферм и других сквозных конструкций.

Древесина работает на сжатие более надежно, чем на растяжение, но

не вполне упруго. Примерно до половины предела прочности древесина

работает упруго, а рост деформаций происходит по закону, близкому к ли-

нейному. При дальнейшем увеличении напряжений деформации растут

быстрее, чем напряжения, указывая на упругопластическую работу древе-

сины. Разрушение образцов происходит пластично в результате потери ме-

стной устойчивости, о чем свидетельствует характерная складка на образ-

це. Поэтому сжатые элементы работают более надежно

, чем растянутые, и

разрушаются только после заметных деформаций.

Пороки реальной древесины меньше снижают прочность сжатых

элементов, т.к. сами воспринимают часть сжимающих напряжений. По-

этому сжатые элементы рекомендуется изготовлять из древесины II сорта.

Сжатые элементы конструкций имеют длину, как правило, намного

большую, чем размеры поперечного сечения, и разрушаются не как малые

стандартные образцы, а в результате потери устойчивости, которая происхо-

дит раньше, чем напряжения сжатия достигнут предела прочности. При по-

тере устойчивости сжатый элемент выгибается в сторону (рис. 5.2, б). При

дальнейшем выгибе на вогнутой стороне появляются складки, свидетель-

ствующие о разрушении древесины от сжатия, на выпуклой стороне древе-

сина разрушается от растяжения

Расчет центрально-сжатых элементов производится по формуле

на устойчивость (для элементов с гибкостью 35≥

)

dccdoc

.o...

≤

, (5.2)

где

=σ

.o.

;

– расчетная осевая сила;

– расчетная площадь по-

перечного сечения, принимаемая равной:

sup

= – площади сечения брутто, если ослабления не выходят за

кромку и площадь ослабления не превышает 25 %;

inf

– площади сечения нетто, если ослабления не выходят за

кромку и площадь ослабления превышает 25 %;

inf

– площади нетто, если ослабления выходят за кромки;

k – коэффициент продольного изгиба определяется в зависимости

от гибкости элемента:

при

rel

λ≤λ

rel

−= ; (5.3)

при

rel

λ>λ

2λ

rel

k ; (5.4)

doc

nom

rel

2π

=λ

, (5.5)

nom

– вероятный минимальный модуль упругости древесины

вдоль волокон – равен

.o.

300 .

Гибкость (

=λ ) зависит от расчетной длины элемента и радиуса

инерции сечения элемента в направлении соответствующей оси (

i =

);

Расчетную длину

l следует определять умножением его свободной

длины

на коэффициент

µ , учитывающий закрепление элемента и на-

грузку, действующую на элемент (рис. 5.2, в).

а)

,мм

б)

ld = 2,2l

ld = l

ld = 0,8l

ld = 0,65l

в)

c.0

, МПа

Рис. 5.2. Сжатый элемент:

а – диаграмма деформирования чистой от пороков древесины;

б – схема работы, разрушения и эпюра напряжений;

в – типы закрепления концов и расчетные длины

Сжатие поперек волокон

При местном сжатии поперек волокон соседние незагруженные уча-

стки древесины тоже сжимаются за счет изгиба волокон и оказывают под-

держивающее действие работе незагруженного участка.

При сжатии поперек волокон должно соблюдаться условие

dccdc

.90.90..90.

≤

σ , (5.6)

где

90.c

k – коэффициент, учитывающий поддерживающие влияния волокон

при сжатии поперек волокон на участке; зависит от величин

L ,a (рис. 5.3).

L L1

Рис. 5.3. Сжатие поперек волокон

При наклонном сжатии под углом к направлению волокон (α) долж-

но соблюдаться условие

dcdc

.... αα

≤

σ , где расчетное сопротивление сжа-

тию под углом определяется по формуле

α+α⋅

.90.

.0.

cossin

. (5.7)

Смятие древесины – это поверхностное сжатие, которое может быть

местным и общим. Общее смятие – когда сжимающая сила действует на

всю поверхность, местное – когда сила действует на часть поверхности

элемента. Смятие древесины в конструкции может происходить:

• вдоль волокон;

• поперек волокон;

• под углом к волокнам.

Сопротивление древесины смятию поперек волокон в несколько раз

меньше сопротивления ее вдоль волокон (клетки работают в наименее бла-

гоприятных условиях: они сплющиваются за счет внутренних пустот).

5.3. Расчет изгибаемых элементов

Изгибаемые элементы – это балки, настилы, обшивки. В изгибаемом

элементе от нагрузок, действующих поперек его продольной силы, возни-

кают изгибающие моменты

М и поперечные силы

V .

От действия изгибающего момента в сечениях элемента возникают

напряжения изгиба (рис. 5.4), которые состоят из сжатия в верхней поло-

вине сечения и растяжения в нижней. Нормальные напряжения в сечениях

распределяются неравномерно по высоте.

Пороки древесины, длительное действие нагрузок уменьшают проч-

ность изгибаемых элементов из реальной древесины, как и при сжатии. Из-

гибаемые элементы работают еще более надежно, чем сжатые, и преду-

преждают об опасности разрушения заранее большими прогибами. Отсюда

следует, что изгибаемые элементы, как и сжатые, рекомендуется изготав-

ливать из древесины 2 сорта, в малоответственных элементах можно ис-

пользовать древесину 3 сорта.

U,мм

а)

б)

t.o.

c.o.

m, МПа

gy.d

gz.d

t.0.d

в)

д)

г)

Рис. 5.4. Изгибаемый элемент:

а – график прогибов; б – схема разрушения и эпюра нормальных напряжений;

в – схема работы при косом изгибе; г – оси элемента; д – эпюра напряжений

Расчет изгибаемых элементов, устойчивость которых обеспечена, на

прочность по нормальным сечениям производят по формуле

≤

, (5.8)

где

– расчетное сопротивление изгибу;

=σ – расчетное на-

пряжение.

Для изгибаемых элементов, не имеющих постоянного подкрепления

сжатой кромки из плоскости изгиба, следует также провести проверку на

устойчивость плоской формы деформирования по формуле

dminstdm

≤

σ . (5.9)

Для изгибаемых элементов прямоугольного сечения, шарнирно за-

крепленных для предотвращения смещения из плоскости изгиба и поворо-

та вокруг продольной оси в опорных сечениях,

inst

k определяется по фор-

муле

inst

140= , (5.10)

где

l – расстояние между опорными сечениями элемента, а при закрепле-

нии сжатой кромки элемента в промежуточных точках – расстояние между

этими точками;

b – ширина поперечного сечения; h – максимальная высо-

та поперечного сечения на участке

l ;

k – коэффициент, зависящий от

формы эпюры изгибающих моментов на участке

l .

Расчет изгибаемого элемента по прогибам заключается в определе-

нии его наибольшего относительного прогиба

max

от нормативных на-

грузок и проверке условия, чтобы он не превосходил предельно допускае-

мого нормами значения, что определяется условием

limmax

≤

Наибольший прогиб

max

определяется по формуле

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅+⋅

max

, (5.11)

где

max

h – максимальная высота сечения; l – пролет изгибаемого элемента;

k – коэффициент, учитывающий влияние переменности высоты сечения;

k – для элементов постоянного сечения;

k – коэффициент, учиты-

вающий влияние деформаций сдвига от поперечной силы;

– прогиб

элемента постоянного сечения высотой h без учета деформаций сдвига.

Косой изгиб

В элементах, оси сечений которых расположены наклонно к направ-

лению действия нагрузок (балки, прогоны скатных покрытий), изгиб мож-

но рассматривать как результат изгибов относительно любой из осей сече-

ния, каждый из которых происходит как прямой.

При косом изгибе нормальные напряжения в сечениях суммируются

и достигают максимальных значениях в верхних и нижних

точках сечения

(рис. 5.4, в – д).

Проверка прочности косоизгибаемых элементов производится по

формуле

≤

dym

dzm

. (5.12)

Расчет косоизгибаемых элементов по прогибам производится с уче-

том геометрической суммы прогибов относительно каждой оси по формуле

lim

max

≤

= . (5.13)

5.4. Расчет элементов, подверженных изгибу с осевым растяжением

Растянуто-изгибаемые элементы работают одновременно на растя-

жение и на изгиб:

• при одновременном действии в сечении продольной силы и изги-

бающего момента (например, нижний пояс ферм, в котором, кроме растя-

жения, действует изгиб от межузловой нагрузки, веса подвесного оборудо-

вания и др.);

• при внецентренном нагружении (т.е. растягивающие силы в эле-

менте действуют с эксцентриситетом относительно его оси или растяги-

вающие усилия приложены к элементу, имеющему несимметричное ос-

лабление).

В сечениях (рис. 5.5) от продольных растягивающих усилий возни-

кают равномерные растягивающие напряжения, от изгибающего момента –

напряжения изгиба, состоящие из сжатия на одной половине и растяжения

на другой половине сечения. Эти напряжения суммируются с учетом их

знаков, благодаря чему растягивающие напряжения увеличиваются, а

сжимающие уменьшаются. Наибольшие напряжения растяжения действу-

ют в крайних растянутых кромках сечения в месте действия максимально-

го изгибающего момента. Здесь и начинается разрушение элемента из-за

разрыва растянутых волокон древесины.

от

растягивающих

сил

от

изгибающего

момента

d+Md

t.0.d

c.0.d

t.0.d

б)

а)

NdNd

U0=U(M)-U(N)

Md=gd l/8

Md=-N U0

Рис. 5.5. Растянуто-изгибаемый элемент:

а – эпюры нормальных напряжений;

б – схема работы и эпюры изгибающих моментов

Растянуто-изгибаемые элементы – это такие же ответственные эле-

менты, как и растянутые, и их рекомендуется изготовлять из древесины

1 сорта.

Расчет элементов при изгибе с осевым растяжением производят по

формуле

.0.

≤

. (5.14)

5.5. Расчет элементов, подверженных изгибу с осевым сжатием

Сжато-изгибаемые элементы работают одновременно на сжатие и изгиб:

• при одновременном действии продольной сжимающей силы и из-

гибающего момента

(например, верхние пояса ферм, в которых, кроме

сжатия, возникает еще изгиб от межузловой нагрузки);

• при действии сжимающей силы с эксцентриситетом относи-

тельно их осей

(например, в криволинейных элементах, нагруженных про-

дольной силой).

В сечениях сжато-изгибаемого элемента (рис. 5.6) действуют про-

дольные сжимающие усилия

, от которых возникают равномерные на-

пряжения сжатия

dc .o.

, и изгибающий момент

M , от которого возникают

и сжимающие, и растягивающие напряжения, максимальные в крайних во-

локнах и нулевые на нейтральной оси.

M(Nd)=Nd U0

Md=gd l/8

U0=U(Md)-U(Nd)

Nd Nd

а)

б)

t.0.d

c.0.d

t.0.d

c.0.d

от

изгибающего

момента

от действия

продольной

силы

M(Nd)

Nd+Md

Рис. 5.6. Сжато-изгибаемый элемент:

а – схема работы и эпюры изгибающих моментов;

б – эпюры нормальных напряжений

Разрушение сжато-изгибаемого элемента начинается с потери устой-

чивости сжатых волокон, что обнаруживается появлением складок и по-

вышенными прогибами, после чего элемент ломается. Такое разрушение

частично пластическое. Поэтому сжато-изгибаемые элементы работают

более надежно, чем растянутые, и их рекомендуется изготавливать из дре-

весины 2 сорта.

Расчет элементов при изгибе с осевым сжатием

производят по фор-

муле

.0.

≤

dmcm

fkf

, (5.15)

где

dcc

dс

.0.

−=

– коэффициент, учитывающий увеличение напряже-

ний от действия продольной силы при изгибе для шарнирно-опертых эле-

ментов при симметричных эпюрах изгибающих моментов синусоидально-

го, параболического, полигонального и близких к ним очертаний.

В случаях, когда в шарнирно-опертых элементах эпюра изгибающих

моментов имеет треугольное или прямоугольное очертание, коэффициент

следует умножать на поправочный коэффициент

, определяемый по

формуле

)1(

−

cme

kk , (5.16)

где

α – коэффициент, который следует принимать равным 1,22 при эпюре

треугольного очертания и 0,81 – при эпюре прямоугольного очертания.

Расчет на устойчивость плоской формы деформирования сжато-

изгибаемых элементов (из плоскости изгиба) следует выполнять по

формуле

..inst

.o.

≤

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

dmcm

dcc

fkkfk

, (5.17)

где

n – показатель степени, учитывающий раскрепление растянутой кром-

ки из плоскости (

n = 2 для элементов без раскрепления растянутой кромки

n = 1 для элементов, имеющих такое раскрепление);

rel

−=

k – ко-

эффициент продольного изгиба, определяемый для участка длиной

l ме-

жду закреплениями;

inst

k – коэффициент, определяемый по формуле