При растяжении гладких образцов напряжения в конструкции распределяются равномерно (рис. 4.11, а). В зоне резкого изменения формы сечения (у отверстий, утолщений или резкого изменения размеров и формы элемента) развивается неравномерность распределения напряжений (рис. 4.11, б, в, г). Однако эта неравномерность занимает небольшую часть сечения, концентрируясь около отверстий или других видов изменения сечения. Эта неравномерность называется концентрацией напряжений.
Места, где происходит резкое повышение напряжений, называются местами концентрации напряжений.
|
Концентрация напряжений ? это неравномерное распределение напряжений в зоне резкого изменения формы сечения |
Напряжения в месте концентрации напряжений считаются местными. В сечениях, удаленных от места изменения сечения распределение напряжений будет равномерным (рис. 4.12, сеч. 3-3)
Местные напряжения в зоне концентрации напряжений всегда превышают номинальные, возникающие в сечении удаленном от концентратора. Отношение максимального напряжения в месте концентрации к номинальному равномерно распределенному напряжению по неослабленному сечению называют коэффициентом концентрации.
K=?max/?ном
Значение коэффициента концентрации зависит от резкости изменения сечения (от радиуса надреза). Коэффициент концентрации у закругленных отверстий ниже, чем у острых дефектов (трещин) (рис. 4.11). Коэффициент концентрации у круглых и полукруглых отверстий ? К = 2-3; ? у выточек К = 4-6; ? у щелей К = 7-9. При очень остром надрезе (при r -> 0) коэффициент концентрации стремится к бесконечности .
В зоне концентрации напряжений возникает сложное напряженное состояние одного знака (рис. 4.12, сеч. 1-1). Неравномерность распределения напряжений с высоким градиентом и однозначность напряжений сдерживают развитие пластических деформаций и приводят к возможности хрупкого разрушения.
|
Концентрация напряжений способствует переходу стали в хрупкое состояние |
Влияние концентрации напряжений на работу стали
Как показывает опыт, при статических нагрузках и нормальной температуре эксплуатации концентрация напряжений в большинстве случаев не оказывает существенного влияния на несущую способность строительных конструкций, однако в некоторых случаях возможно хрупкое разрушение.
При понижении температуры ниже некоторой отрицательной температуры прочность на разрыв образцов с концентрацией напряжений значительно снижается. Следовательно, концентрация напряжений особенно опасна в конструкциях, эксплуатируемых при низких температурах.
Концентрация напряжений также очень опасна в конструкциях, подвергающихся динамическим воздействиям.
|
Концентрация напряжений опасна в конструкциях, эксплуатируемых при низких температурах и подвергающихся динамическим воздействиям. |
Конструктивные мероприятия, снижающие концентрацию напряжений
Хотя концентрация напряжений существенно не влияет на несущую способность элементов конструкций, работающих при статической нагрузке, в некоторых случаях эксплуатации концентрация напряжений может оказать негативное влияние на работоспособность и прочность. Особенно это проявляется в сварных стыках, где велики остаточные сварочные напряжения.
В процессе проектирования металлических конструкций встречаются случаи стыковки листов разной ширины или толщины. В зоне стыков листов разной ширины или толщины возникает концентрация напряжений (рис. 4.13, а, сеч 1-1).
|
В стыках листов разной ширины или толщины возникает концентрация напряжений. |
Для предотвращения концентрации напряжений рекомендуется избегать резких перепадов толщины или ширины стыкуемых элементов. Если необходимо стыковать листы разной толщины или ширины, то следует предусмотреть плавный переход от одной ширины (толщины) к другой (рис. 4.13, б) при соотношении катетов 1/5. В этом случае силовые линии успевают перестроиться и концентрации напряжений не происходит (рис. 4.13, б, сеч 1-1).
