Прочность и долговечность

Черчение

Понятие о надежности, прочности и жесткости

Любое изделие должно обладать основными категориями качества: на­дежностью, прочностью и жесткостью в работе.

Надежность (по ГОСТ 27.002-89) — свойство объекта выполнять задан­ные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатаци­онных показателей в определенных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремон­тов, хранения и транспортирования.

Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его эксплуатации может включать безот­казность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость в отдельно­сти или определенное сочетание этих свойств как для объекта, так и для его частей.

Надежность не касается требований, непосредственно не влияющих на эксплуатационные показатели*, например повреждение окраски и т. д.

Таким образом, надежность характеризуется показателями, которые выявляются в процессе эксплуатации и позволяют судить о том, насколько изделие оправдывает надежды его изготовителей и потребителей.

Безотказность — свойство объекта непрерывно сохранять рабо­тоспособность** в течение некоторого времени или некоторой наработки.

Это свойство очень важно для машин и механизмов, входящих в ком­плексные системы, где даже временная остановка одного звена может вы­звать сбой в работе всей автоматизированной линии.

Долговечность — свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе техни­ческого обслуживания и ремонтов. Предельное состояние изделия характе­ризуется невозможностью дальнейшей его эксплуатации, снижением эф­фективности или безопасности. Основным показателем долговечности дета­лей, сборочных единиц и агрегатов служит технический ре­сурс — наработка объекта от начала эксплуатации или ее возобновления после ремонта до наступления предельного состояния, оговоренного в стан­дартах или технических условиях на изделие.

Ремонтопригодность — свойство объекта, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникнове­ния его отказов, повреждений и устранению их последствий путем проведе­ния ремонтов и технического обслуживания.

Сохраняемость — свойство объекта непрерывно сохранять ис­правное и работоспособное состояние в течение и после хранения и (или) транспортирования.

Прочность — один из основных критериев работоспособности изделия, обусловливаемой циклическими и контактными напряжениями. Отсюда принято различать циклическую прочность и контактную прочность.

Детали, подвергающиеся длительной переменной нагрузке, разрушают­ся при напряжениях, значительно меньших предела прочности материала при статическом нагружении. Особенно большое внимание при конструи­ровании машин уделяется так называемым знакопеременным нагрузкам, которые много раз подряд меняют направление своего действия и «изматы­вают» или утомляют металл.

Детали машин, обладающие в обычных условиях нагружения хорошими эксплуатационными качествами, при знакопеременной нагрузке могут раз­рушаться от усталости без видимых деформаций так, как будто они выпол­нены из хрупкого материала.

Усталость металла — изменение состояния металла в ре­зультате многократного (циклического) деформирования, приводящее его к прогрессирующему разрушению. Если проанализировать процесс разрушения детали от действия переменных напряжений, то можно вы­делить две его фазы: образование микротрещины, а затем ее дальнейшее развитие до полного разрушения образца. Протекание первой фазы свя­зано со структурными особенностями материала, состоянием поверхнос­ти и амплитудой цикла. Во второй фазе сохраняют влияние структурные особенности и амплитуда цикла, но вступают в силу новые факторы, та­кие, как размеры и форма детали и законы распределения напряжений по ее объему.

Статистика показывает, что до 80% поломок и аварий при эксплуатации машин связано с усталостными явлениями. Поэтому проблема усталостной прочности является важнейшей для повышения надежности и долговечно­сти машин. Сопротивление усталости характеризуется пределом вы­носливости, то есть наибольшим напряжением, которое может выдер­жать металл без разрушения заданное число раз (для стали — 5 млн. цик­лов, для легких литейных сплавов — 20 млн. циклов).

Наиболее явно циклические нагрузки выражены в машинах и механиз­мах с возвратно-поступательным движением (поршневые машины, шатунно-кривошипные группы, кулачковые механизмы).

Во всех зубчатых передачах зубья колес подвержены циклическим на­грузкам. Валы, работающие под нагрузкой постоянного направления (валы зубчатых, ременных и цепных передач), также подвергаются циклическо­му нагружению.

Диаграмма сравнительной характеристики усталостной прочности для различных соединений типа «вал — ступица», характеризующая выносли­вость валов при циклическом кручении в зависимости от конструкции со­единения, представлена на рис. 60.

Анализ причин, определяющих степень снижения усталостной прочнос­ти валов в рассматриваемых соединениях, свидетельствует о значительном влиянии конструктивных особенностей подступичной части вала и формы ступицы на распределение кон­тактных давлений. Изучение характера поломок деталей машин показало, что на их долговечность влияют главным образом форма и спо­собы обработки. Остановимся на этом более подробно. Установлено, что прочность де­талей машин существенно от­личается от прочностных ха­рактеристик материалов, из которых эти детали были изго­товлены. Наглядное представ­ление об этом дает диаграмма (рис. 61).

Если принять проч­ность образца из данного материала при испытании на разрыв за 100%, то предел выносливости образца составит 55. 72%, а прочность деталей в зависимости от формы и типа со­единений составит всего 7. 24%. На диаграмме в процентах по сравнению с прочностью образца при разрыве представлена прочность деталей: слож­ной формы 2, 3,4 и 5, соединения типа «вал — ступица» 7, 8 и 9, соедине­ний болтового, заклепочного и сварного 1,6,10 и 11, представляющих наи­более типичные случаи конструктивного исполнения деталей и соедине­ний.

Усталостная прочность деталей резко падает при наличии ослаблений, резких переходов, острых углов, поднутрений и т. п., вызывающих мест­ную концентрацию напряжений. Зоны концентрации напряжений (у краев отверстий, в выкружках, во входящих углах и т. д.) наиболее пере­гружены и служат местами начала пластической деформации или разру­шения.

Степень концентрации напряжений зависит от вида концентраторов, состояния поверхности и размеров детали, материала детали, его химиче­ского состава и однородности, термо­обработки, механической прочности, характера рабочего цикла детали.

Среди концентраторов напряжений (рис. 62) различают геометрические (концентраторы формы) и технологи­ческие (концентраторы, появление ко­торых связано с нарушением структурообразования материала при изготов­лении изделия).

Основными источниками геометри­ческой концентрации напряжения на валах и осях служат их ступенчатая форма, выточки, поперечные отвер­стия, шпоночные канавки, шлицы и т. д. Чем больше перепад сечений на участке перехода и чем резче переход, тем выше местное напряжение.

Технологические концентраторы напряжения в деталях, подвергаю­щихся механической обработке, возникают в результате перерезания воло­кон при обработке заготовки давлением. В литых деталях участки перехода часто бывают ослаблены такими литейными дефектами, как микротрещи­ны, пористость, воздушные раковины и т. д. У кованых и штампованных деталей участки перехода в изгибах имеют пониженную прочность вследст­вие вытяжки металла на этих участках.

Примеры появления очагов концентрации напряжений на деталях при­ведены на рис. 63.

Грубые риски, оставшиеся после обработки на поверхности впадины шпоночного паза 1, между зубьями шестерни, вызывают появление посте­пенно растущих трещин усталости. Изломы валов чаще всего происходят в участках резкого перехода от большого диаметра к меньшему III (типа лысок и отверстий — IV, V), выполненному без галтели. В этом случае в ме­стах грубых рисок, острых углов и местах резких переходов происходит со­средоточение (концентрация) напряжений, приводящих к поломке дета­лей. Отсюда можно сделать вывод, что при конструировании деталей следует избегать острых углов в ее конфигурации.

При статической нагрузке величина концентрации напряжения зависит от степени пластичности материала. У пластичных материалов явление концентрации напряжения выражено слабо. При повышении напряжения в зоне ослабления такие материалы переходят в состояние текучести. Хруп­кие материалы при переходе местных напряжений за предел прочности разрушаются.

При циклических нагрузках явление концентрации напряжений выра­жено значительно сильнее.

На практике повышение усталостной прочности деталей достигают как технологическими, так и конструктивными способами.

К технологическим способам относятся термическая и химико-термическая обработка сталей, дробеструйная обработка и накатывание деталей ро­ликами, алмазное выглаживание (уплотнение поверхности скругленным алмазным инструментом), ультразвуковое упрочнение и т. д. Например, на­катывание резьб повышает прочность детали в 1,5. 2 раза и практически устраняет концентрацию напряжений у основания резьбы.

Конструктивные способы повышения усталостной прочности деталей не всегда полностью могут устранить концентраторы напряжений. В таких случаях стремятся заменить резкие концентраторы умеренно действую­щими.

С целью повышения усталостной прочности переходных участков валов уменьшают перепад диаметров и вводят галтели, эффективность которых за­висит от величин их радиусов. Для больших перепадов диаметров рекомен­дуется брать R/d 5>= 0,1, для малых перепадов — R/d = 0,05. 0,08 (рис. 64,I).

Эллиптические галтели (рис. 64, II) обеспечивают при одинаковых пере­падах диаметров относительно большее (примерно на 20%) увеличение прочности. Эффективность таких галтелей зависит от отношения большой полуоси b эллипса к диаметру вала d. Чем больше b/d и а/b, тем ниже коэф­фициент концентрации напряжения.

Введение эллиптических галтелей сокращает длину цилиндрической ча­сти вала, что не всегда желательно (например, в случае установки насадных деталей).

Концентрация напряжений возникает и в поверхностном слое металла при контактном нагружении, когда сила действует на весьма ограниченном участке поверхности. Этот вид нагружения чаще всего встречается при со­прикосновении сферических и цилиндрических тел с плоскими, сферичес­кими или цилиндрическими поверхностями.

В зоне соприкосновения образуется плоская площадка, размеры которой зависят от упругости материала и формы сжимаемых тел.

Усталостное разрушение (питтинг), обусловленное пе­риодически изменяющимися контактными напряжениями, сопровождает­ся отслаиванием и выкрошиванием крупных частиц металла, в результате чего сочленение, как правило, выходит из строя. Характерным примером такого разрушения служит питтинг рабочих поверхностей зубьев зубчатых колес. Концентрация напряжений возникает на участках зубьев, близких к начальной окружности.

При конструировании сферических и цилиндрических сочленений, не­сущих высокие нагрузки, следует учесть, что соприкасающиеся детали должны быть закалены до твердости не ниже HRC60. 62 и поверхностью, обработанной не ниже параметра шероховатости Rа0,080.

С целью уменьшения контактных напряжений в тех случаях, когда это допускают условия работы сочленения, детали, воспринимающие нагрузку, следует помещать в гнезда, имеющие диаметр, близкий к диаметру детали (D/d = 1,01. 1,02).

Пример последовательного упрочне­ния сферического сочленения приведен на рис. 65. Наиболее выгодна конст­рукция со сферой большого диаметра, расположенной в сферическом гнезде (рис. 65, III).

Другим примером может служить со­членение двух рычагов при помощи ци­линдрического пальца,закрепленного в одном из рычагов и скользящего в про­ушине другого. Конструкция на рис. 66, I нерациональна, так как линей­ный контакт на поверхности трения приводит к быстрому изнашиванию по­верхности проушины пальцем. В рациональной конструкции (рис. 66, II) на палец надет сухарь, скользящий боковыми гранями в проушине рычага. Здесь контакт между пальцем и отверстием сухаря, а также между гранями сухаря и проушиной поверхностный, что резко повышает долговечность со­членения.

При конструировании машины, механизма конструктор всегда стремит­ся соблюдать принцип равнопрочности.

Равнопрочными называются конструкции, детали которых име­ют одинаковый запас прочности на всех участках по отношению к действу­ющим на них нагрузкам.

Формы деталей, требуемые по условию равнопрочности, часто технологи­чески трудно выполнимы, и поэтому их приходится упрощать. Кроме того, почти во всякой детали имеются такие дополнительные элементы, как цап­фы, буртики, канавки, выточки, проточки, резьбы, вызывающие местное усиление, а чаще концентрацию напряжений и местное ослабление детали.

По всем этим причинам понятие равнопрочности деталей относительно. Конструирование равнопрочных деталей практически сводится к прибли­зительному воспроизведению форм, диктуемых условием равнопрочности, при всемерном уменьшении влияния всех источников местной концентра­ции напряжений.

На рис. 67,I изображен фланцевый вал со шлицами. Участки A,B и C та­кого вала, нагруженного постоянным крутящим моментом, неравнопроч­ны. Наиболее значительны напряжения на участке А детали, где имеются шлицы. Менее значительны напряжения на участке С и еще меньше — на участке В между фланцем и шлицами, где толщина стенок полого вала до­стигает наибольшей величины. После расчета на постоянство момента со­противления кручению на всех участках вала пришли к более равнопроч­ной конструкции (рис. 67, II).

Большое значение для прочности деталей при прочих равных условиях имеет правильный выбор материала. По величине прочностных и деформаци­онных характеристик судят о пригодности материала для тех или иных целей.

Одним из основных факторов, определяющих работоспособность конст­рукции и имеющих такое же, если не большее значение для надежности, как и прочность, является жесткость.

Жесткость — это способность детали или системы сопротивляться обра­зованию деформации. Для машиностроения можно сформулировать следу­ющее определение: жесткость — это способность изделия сопротивляться действию внешних нагрузок с деформациями, допустимыми без нарушения работоспособности изделия.

Жесткость оценивают коэффициентом жесткости ?р, представляющим собой отношение силы F, приложенной к изделию, к максимальной дефор­мации f, вызываемой этой силой.

Для простейшего случая растяжения — сжатия бруса постоянного сече­ния в пределах упругой деформации — коэффициент жесткости согласно закону Гука определяют по формуле ?р = F/f = ES/l;

где: ?р — коэффициент жесткости;

f — максимальная деформация;

Е — модуль нормальной упругости материала;

S — сечение бруса;

На жесткость изделий сильно влияют размеры и форма сечений. В изде­лиях, состоящих из многих отдельных деталей, жесткость зависит также от жесткости сочленения отдельных деталей. Наличие зазоров в сопрягаемых деталях приводит к появлению деформаций, иногда во много раз превосхо­дящих собственные упругие деформации элементов конструкции. В этом случае эффективными способами увеличения жесткости являются силовая затяжка сочленения, посадка с натягом, увеличение опорных поверхностей и придание деталям повышенной жесткости на участках сопряжения.

Для увеличения жесткости изделий применяют следующие основные способы:

всемерное устранение изгиба, как невыгодного по жесткости и прочнос­ти вида нагружения, замена его сжатием и растяжением;

целесообразную расстановку опор для деталей, работающих на изгиб, исключение невыгодных по жесткости видов нагружения;

рациональное, не сопровождающееся возрастанием массы усиление уча­стков перехода от одного сечения к другому;

для деталей коробчатого типа — применение скорлупных, сводчатых, сферических и эллипсных форм.

Рассмотрим несколько примеров увеличения жесткости конструкций.

1. Сравним конструкции литых кронштейнов. Балочный кронштейн (рис. 68,I) под воздействием внешних сил подвергается изгибу. Как изве­стно, в случае изгиба нагружены преимущественно крайние волокна сече­ния. Предел нагружения наступает, когда напряжения в них достигают опасных значений, в то время как сердцевина остается недогруженной. Кронштейн ферменного типа (рис. 68, II) несколько более жесток, чем предыдущий, но так как верхний горизонтальный стержень его для огра­ничения деформации не используется, то по жесткости он значительно ус­тупает раскосному кронштейну (рис. 68, III). В этом кронштейне условия работы стержней видоизменены, они работают преимущественно на рас­тяжение — сжатие. При растяжении — сжатии напряжения одинаковы по всему сечению; материал используется полностью. Кроме того, при растяжении — сжатии величина нагрузки не зависит от длины детали, что имеет место в случае изгиба. Конструкция становится еще более проч­ной и жесткой, если стержни кронштейна соединить сплошной перемыч­кой (рис. 68, IV).

Читайте также:  Чем лучше и дороже материал, тем дольше она прослужит

2.На примере клеммового соединения видно, что в первой конструкции (рис. 69, I) ушки клеммы при затяжке болтового соединения будут сгибаться, поэтому силовая затяжка невозможна. Если немного изменить конструкцию: усилить клемму, приблизить стяжной болт к валу — станет возможна силовая затяжка (рис. 69, II). Это означает резкое повышение жесткости конструкции.

3. На рис. 70 показан клапан двигателя внутреннего сгорания. В первом слу­чае (рис. 70, I) тарелка клапана конструктивно оформлена нежестко, так как слаба связь между штоком и тарелкой. Во втором случае (рис. 70, II) та­релка имеет тюльпанообразную фор­му, что придает штоку и тарелке бо­лее массивную связь: на ободе тарел­ки образован пояс жесткости.

4. Наибольшей продуманности с точки зрения обеспечения высо­кой жесткости требуют оболочко­вые конструкции (например, са­молеты, ракеты и т. д.). Увеличе­ние габаритов и уменьшение тол­щины стенок в них выдвигают на первый план задачу повышения радиальной жесткости и предупрежде­ния потери устойчивости конструкций под действием нагрузок. Для придания деталям высокой жесткости применяют ребра различной кон­структивной разновидности (рис. 71).

На рис. 72 показан корпус головной части ракеты с оребрением внутрен­ней части.

Долговечность покрытий

При выборе лакокрасочных материалов для покрытия различных поверхностей, перед человеком стоит главная цель, которая заключается в том, чтобы обеспечить поверхности как можно лучшую защиту, а также придать ей красивый и эстетичный вид.

В настоящее время существует множество лакокрасочных материалов, которые различаются в зависимости от условий эксплуатации: атмосферостойкие, водостойкие, маслобензостойкие, химстойкие, термическистойкие, электроизоляционные, консервационные и ЛКП специального назначения. Не смотря на то, что все они имеют различный состав, свойства, методы нанесения и т.д., у них есть общая черта, образование на поверхности прочной лакокрасочной пленки, которая в дальнейшем и выступает защитой поверхности от всякого рода повреждений.

Факторы, влияющие на покрытия

Итак, кроме того, что необходимо правильно подбирать лакокрасочный материал для нанесения его на поверхность, с учетом всех условий, в которых используется поверхность, следует обращать внимания и на другие факторы, которые, несомненно, имеют влияние на то, как долго покрытие прослужит. Не раз уже упоминалось о том, что требования к свойствам лакокрасочных материалов, которые используются для нанесения на предметы, постоянно сталкивающиеся с агрессивной средой, гораздо жестче, чем для тех, которые будут эксплуатироваться в помещении. Например, нельзя автомобиль покрасить водоэмульсионной краской, поскольку она смоется с него при первых же осадках, и наоборот

автомобильными лакокрасочными материалами нет необходимости окрашивать предметы интерьера. На этом останавливаться не будем. Представим, что ЛКМ подобран правильно. Однако, одних свойств лакокрасочного материала для его длительного срока службы недостаточно. От чего же зависит прочность и долговечность покрытий?

Прежде всего, стоит напомнить, что лакокрасочное покрытие на поверхности образуется в три этапа:

  1. Подготовки поверхности;
  2. Окрашивания;
  3. Пленкообразования, которое образуется в результате отверждения лакокрасочных материалов.

Таким образом, долговечность покрытий зависит от:

  1. Правильной подготовки поверхности перед ее окрашиванием. Не зря этому этапу отведено первое место, поскольку он на 65-75% определяет долговечность лакокрасочного покрытия. Чем лучше подготовлена поверхность, тем лучше ложится на нее лакокрасочный материл. Подготовка поверхности предполагает, в первую очередь, очистку поверхности от различных элементов (пыль, грязь, ржавчина, старая краска и т.д.). И в данном случае, для получения хорошего результата, также важно правильно выбрать способ очистки поверхности: ручная очистка или абразивная.
  2. Методов окрашивания поверхности. От выбора метода окрашивания зависит 15-25% долговечности покрытий. Существуют следующие методы нанесения покрытий на поверхность:
      • электростатическое распыление;
      • пневматическое распыление;
      • безвоздушное распыление;
      • струйный облив;
      • окунание.

Стоит отметить, что лакокрасочный материал, нанесенный электростатическим распылением, образует более прочное покрытие, чем при использовании других методов нанесения.

Также, ни для кого не секрет, что чем покрытие прочнее, тем лучше оно защищает поверхность, а значит, тем оно более долговечно.

Ниже представлено видео с примером электростатического распыления краски.

Факторы, влияющие на прочность и долговечность покрытий:

  1. Условия нанесения лакокрасочных материалов. Сюда относятся влажность и температура воздуха. Для каждого лакокрасочного материала существуют свой допустимый температурно-влажностный режим, оптимальный для проведения работ. Он указывается на упаковке лакокрасочного материала. Если же условия для нанесения ЛКМ на покрытие не соответствуют, то на выходе есть риск получить покрытие с ухудшенным внешним видом, а также не такое прочное, как хотелось бы.
  2. Режим отверждения. Хотя это больше относится к свойствам лакокрасочных материалов, а мы о них немного говорили в начале статьи, все же при выборе ЛКМ на режим отверждения следует обратить внимания. Он также прописывается на упаковке лакокрасочного материала. Как показывает практика, покрытия, образованные путем горячей сушки, имеют значительно большую стойкость к влиянию климатических факторов, а также агрессивности сред. Однако, тут также необходимо быть осторожным и помнить, что невыдержанность во время сушки правильного температурного режима может сделать покрытие более хрупким, что существенно ухудшает прочность и долговечность покрытия.
  3. Толщина слоя лакокрасочного покрытия. Этот фактор определяет скорость проникновения агрессивных веществ к поверхности. Чем слой толще, тем дольше процесс проникновения будет происходить, а следовательно, тем срок службы будет продолжительнее. В настоящее время разработаны стандарты толщины покрытий в зависимости от среды их использования, которые колеблются от 120 мкм до 300 мкм.

лкмТип грунтовок
ВДАКАСАУВЛГФМЛМЧПФУРФЛХВЭПХС
ВодоразбавляемыеВД+
Алкидно акриловыеАС+++++++
Алкидно уретановыеАУ+++++
Алкидно эпоксидныеЭП++++++
ГлифталевыеГФ+++++++
КремнийорганическиеКО+
МасляныеМА++++
МеламинныеМЛ++++++++
МС+++++
МочевинныеМЧ++++++++
НитроцеллюлозныеНЦ+++
ПолиакриловыеАК+++++
ПоливинилхлоридныеХВ++++++++++
ПолиуретановыеУР++++++
ПентафталевыеПФ+++++++
ПерхлорвиниловыеХВ+++++++++
ЭпоксидныеЭП++++++++++
Сополимерно винил хлоридныеХС++++++++

Не последнюю роль в сроке службы покрытия играет и его качество.

Качество и долговечность покрытий определяются следующими показателями:

      1. Прочностью сцепления покрытия с основой. Пожалуй, это первый и наиболее важный критерий, который определяет качество и долговечность покрытий;
      2. Толщиной лаковой пленки;
      3. Внешним видом покрытия после сушки;
      4. Однородностью покрытия;
      5. Стойкостью к химическому воздействию;
      6. Прочностью во время растяжения и ударов.

Таким образом, как следует подобранный лакокрасочный материал, нанесенный на соответственно подготовленную поверхность при надлежащих температурно-влажностных условиях, гарантировано образует на поверхности прочное и долговечное покрытие.

материалы по теме

На рынок вышли антикоррозионные нанопокрытия от компаний Tesla и SWeNT

Производство нанопокрытий Teslan, которые являются антикоррозионными покрытиями, предназначенными для металлоконструкций, будет расширено компанией Tesla NanoCoatings.

Популярность на защитные покрытия для стальных труб растет

Положительные тенденции отмечаются представителями лакокрасочной отрасли. Согласно их утверждениям, к качеству продукции производители стали подходить с большей ответственностью.

На рынке ЛКМ России хорошим потенциалом обладают водоосновные АКЗ-покрытия

Не смотря на то, что экологические нормы, ужесточение которых происходит беспрерывно, иногда сдерживают развитие некоторых сегментов рынка лакокрасочных материалов, все же имеют положительное влияние на лакокрасочную промышленность.

Прочность и долговечность

При расчете на прочность необходимо выбрать опасное для данной наиболее неблагоприятной нагрузки сечение рассчитываемого элемента, определить напряжения и деформации, возникающие в нем при наиболее неблагоприятных условиях нагружения, и установить, в какой мере эти деформации и напряжения опасны для выбранного материала. Таким образом, расчетом необходимо убедиться в том, что напряжения, возникающие в опасном сечении рассчитываемого элемента, не вызовут разрушений, если он изготовлен из хрупкого материала, или остаточных деформаций, если элемент изготовлен из пластичного материала.

К хрупким машиностроительным материалам относятся чугун, высокоуглеродистые и высоколегированные закаленные стали. Однако при известных условиях пластичные материалы, в частности углеродистые и низкоуглеродистые стали, также переходят в хрупкое состояние. Причиной этого может быть влияние технологических факторов, формы элемента и т. д. Известно также, что низкая температура окружающей среды или импульсный характер нагрузки приводят пластичный в нормальных условиях материал к хрупкому разрушению. Во всех этих случаях в основу проверки прочности рассчитываемого элемента должен быть положен предел прочности материала ст„.

Для пластичных материалов, когда, исходя из условий эксплуатации, нет оснований предполагать перехода их в хрупкое состояние, основным критерием прочности является предел текучести сгт.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Влияние особенностей рассчитываемого элемента, отличающих его от эталонного образца, определяется рядом факторов — размерами и формой поперечного сечения детали, ее конфигурацией, качеством и видом обработки поверхности, наличием различных концентраторов напряжений. Поэтому использование значений ав и сгт непосредственно в качестве критериев прочности предельных напряжений допустимо лишь в случаях, когда эти факторы отсутствуют и рассчитываемый элемент мало отличается от эталонного образца. В большинстве случаев для установления предельного напряжения вводятся соответствующие коэффициенты.

Влияние концентраторов напряжения может быть учтено в первом приближении посредством эффективного коэффициента р концентрации напряжения. Этот коэффициент показывает, во сколько раз предел выносливости эталонного образца больше предела выносливости материала. Концентрация напряжений возникает в местах резкого изменения диаметра вала или оси у шпоночных канавок, в местах расположения шлицев, резьбы, отверстий и т. д., а также при наличии внутренних напряжений в местах неподвижной посадки сопряженных деталей и коррозионных изъянов. Концентраторами напряжений являются также заклепочные и сварные швы.

Коэффициент р изменяется для указанных случаев в пределах от 1,4 до 3,5, причем значение его зависит не только от вида и формы ослабления сечения, но и от качества и состояния материала. Так, для материалов в пластичном состоянии при прочих равных условиях коэффициент р значительно меньше, чем для материалов, находящихся в хрупком состоянии. Именно это позволяет при определении предельного напряжения для материала в пластичном состоянии не учитывать влияния концентрации напряжений. Увеличение предела прочности сталей повышает их чувствительность к концентрации напряжений.

С увеличением размеров элемента по сравнению с размерами эталонного образца снижаются прочностные свойства, т. е. значения предела прочности ав и предела текучести сгт, что может быть учтено при определении предельного напряжения посредством мощностных факторов Кв и Хт,’ последние могут быть оценены по опытным зависимостям, одна из которых показана на рис. 60.

ших напряжений и дефектов поверхности. Влияние качества обработки на предел выносливости образцов при изгибе и кручении показано на рис. 1. Упрочнение поверхности деталей повышает предел выносливости образцов в среднем в 1,2— 2,0 раза.

Следует подчеркнуть, что обязательным почти для всех случаев является прочностной расчет на действующую в наиболее неблагоприятных сочетаниях с имеемыми случайную нагрузку. В тех случаях, когда эта нагрузка носит импульсивный (ударный) характер, ее величину можно определить одним из изложенных способов, после чего известное расчетное усилие кладется в основу квазистатического расчета.

При расчетах на ударную нагрузку диаграмма напряжение — относительная деформация, построенная для статических условий нагружения, не может быть использована в принципе. Чем больше скорость нагружения, тем выше располагается диаграмма а — е по отношению к диаграмме, построенной для статической нагрузки, хотя характер ее остается идентичным. В то же время повышение идет довольно медленно, поэтому диаграмму о—е можно принять стабильной для достаточно широкого диапазона скоростей нагружения. На рис. 62 сопоставлены динамические (1) и статические (2) диаграммы а — е соответственно для мягкой стали, алюминия и меди при скорости удара 44—48 м/с.

Таким образом, при ударной нагрузке статический предел прочности ств и статический предел текучести ат уже не могут служить критериями для проверки прочности элементов конструкции. Учет влияния скорости нагружения может быть осуществлен посредством коэффициента Сд, значения которого представлены на рис. 3 в функции статического предела текучести для широкого диапазона сталей различных марок.

Рис. 1. Влияние качества обработки на предел выносливости (по Серенсену С. В.):
1 — зеркальное полирование; 2 — грубое полирование; 3 — тонкая механическая обработка; 4 — грубое шлифование; 5 — наличие окалины

Рис. 2. Диаграмма напряжение — относительная деформация при динамической (1) и статической (2) нагрузках для мягкой стали (а), алюминия (б) и меди (в)
1 — для углеродистых и марганцовистых сталей; 2 — для легированных сталей; 3 — для серого чугуна

Приведенный график построен по экспериментальным данным при растягивающем ударе на копре и относится, таким образом, к скорости удара 5—6 м/с. В то же время экспериментально установлено, что при изменении скоростей нагружения от 0,5 до 6 м/с не обнаружено существенного изменения динамического предела текучести для сталей. При расчетах, связанных с ударным нагружением машин для земляных работ, скорость удара в подавляющем большинстве случаев не выходит за пределы указанного диапазона.

С другой стороны, чрезмерная скорость удара, превышающая критические значения 15—30 м/с, при которой уже в первый момент в месте удара возникает пластическая деформация или хрупкое разрушение независимо от величины ударяющей массы, менее опасна. В этом случае возникает локализованное повреждение элемента, испытывающего ударную нагрузку.

Рис. 3. Значения коэффициента, учитывающего изменение механических свойств стали при импульсивной нагрузке

Многочисленность факторов, влияющих на прочностные свойства рассчитываемого элемента, и невозможность точного их определения приводят к необходимости при сопоставлении действующего в опасном сечении максимального напряжения с предельным вводить определенный коэффициент запаса прочности, который можно использовать при предварительных расчетах.

В указанных в таблице диапазонах минимальные значения п относятся к элементам с более чистой поверхностью, относительно простой конфигурацией и достаточно достоверной методикой расчета.

При сложном напряженном состоянии — одновременном действии нормальных и касательных напряжений необходимо привести их либо только к нормальным, либо только к касательным, после чего, воспользовавшись приведенными выше зависимостями, произвести дальнейший расчет.

В большинстве случаев работа элементов машин происходит при переменном рабочем режиме — при различных скоростях движения и нагрузках. Поэтому при расчетах на долговечность принято оперировать понятием эквивалентного режима, по своему влиянию на долговечность детали, узла или машины равноценному действующему фактически переменному режиму.

Известно, что элементы машин и инженерных конструкций, испытывающие в процессе эксплуатации циклические нагрузки, часто разрушаются при напряжениях, значительно меньших не только предела прочности материала, но даже и предела текучести. Случаи такого разрушения имеют место при деформации любого вида. Циклическая нагрузка в процессе действия относительно быстро меняет свою величину или величину и знак.

На рис. 4, а показан общий случай периодической закономерности, а на рис. 4, б, в и г — соответственно прямоугольная, пилообразная и синусоидальная закономерности изменения циклической нагрузки. Если действительный закон изменения циклической нагрузки во времени сложен, его обычно рассматривают как синусоидальный.

Читайте также:  Монтаж листов металлочерепицы

Динамические нормальные и касательные напряжения, возникающие в элементах машин под действием циклической нагрузки, называют циклическими напряжениями.

Рис. 4. Графики характерных циклических нагрузок:

Рис. 5. Циклы нагрузки:

Рис. 6. Теоретическая диаграмма предельных напряжений

Чем больше абсолютная величина напряжения цикла, тем меньшее число циклов может выдержать элемент, испытывающий эту нагрузку.

Наибольшее по абсолютной величине нормальное или касательное напряжение в материале элемента конструкции, при котором и ниже которого не происходит его разрушение даже при неограниченном числе циклов, называется пределом выносливости. Для обозначения предела выносливости символу от или т присваивают индекс, соответствующий коэффициенту асимметрии.

Долговечность работы конструкции зависит от характера приложения нагрузки; особенностей рассчитываемого элемента, отличающих его от эталонного образца; режима работы, учитывающего нестационарность приложения нагрузки — ее частоты и интенсивности.

Уместно отметить, что масштабный фактор практически не сказывается на пределе выносливости при кручении деталей из алюминиевых сплавов, низколегированных и термически обработанных сталей. Только для сталей средней твердости по данным Донстона, испытавшего на кручение образцы валов диаметром от 2,54 до 165 мм, было установлено ощутимое влияние масштабного фактора на предел выносливости.

При расчете по предельным состояниям учитываются условия работы рассчитываемого элемента, степень неоднородности материала, состояние поверхности, способ изготовления и другие факторы. Впервые научное обоснование расчету на прочность по предельным состояниям применительно к строительным конструкциям было дано Н. С. Стрелецким, который использовал для этой цели теорию вероятности и математическую статистику. Использование принципа расчета на прочность по предельным состояниям в полной мере применительно к строительным машинам и станет возможным после дальнейшего детального изучения их работы и накопления необходимого статистического материала.

Прочность, устойчивость и долговечность здания

Лекция 1. Общие сведения о зданиях и сооружениях 1. Сооружение – всё, что человеком для материальных и духовных потребностей. Особая группа – здания. 2. Здание– наземное сооружение с внутренним пространством для деятельности человека. 3. Инженерные сооружения – прочие надземные, подземные и подводные сооружения для технических задач (мост, метро, дорога). 4. Зданиепредставляетсовокупность трёх групп элементов: А) объёмно-планировочных – помещений в трёх измерениях; Б) конструктивных – строительных элементов (колонны, стены и др.) В) строительных изделий и деталей (плитка, ступени и др.)

Требования к зданиям

1. Функциональные –соответствиездания:

Б) составу помещений

В) параметрам помещений (размерам)

Г) технологии (для промышленных)

Д) возможности перепланировки

2.Технические –соответствие конструкций механике, физики и химии;

А) нагрузок и воздействий

Б) климатических особенностей

Г) внутренней среды здания

3. Санитарно-гигиенические:

А) микроклимат помещений (температура, влажность, скорость движения воздуха – вентиляция)

Б) допускаемый уровень шума

В) освещённость и инсоляция

4. Архитектурно-художественные– оформление экстерьера (внешнего) и интерьера (внутреннего) вида здания

5. Эксплуатационные –к помещениям и конструкциям: зависят от:

А) назначения здания и его особенностей

Б) внешней и внутренней среды

В) заданного срока службы

Г) оборудования (лифты, отопление, водопровод и др.)

6. Экологические:

А) устранение вредных воздействий технологии

Б) безопасность материалов и изделий

7. Экономические:

А) затраты на здание (изыскания, проектирование, строительство)

Б) эксплуатационные затраты при эксплуатации здания

В) демонтаж и утилизация конструкций

8. Строительно-технологические учитывают при проектировании:

А) возможности строительной организации

Б) методы производства работ

Классификация зданий и сооружений

1. По назначению:

А) гражданские – жилые, общественные и специальные (телецентр)

Б) промышленные (производственные, административно-бытовые, вспомогательные)

2. Виды гражданских зданий по этажности:

А)малоэтажные – до 2-х этажей

Б) средней этажности: 3-5

В) повышенной этажности: 6-10

Г) многоэтажные: 11- 29

Д) высотныеболее 30 этажей

По материалу несущих конструкций

А) каменные (кирпич, камни)

4. По способу возведения

А) традиционные – кирпичные стены + перекрытия

Б) сборные – из элементов заводской готовности

В) монолитные – изготовленные на строительной площадке в опалубке

5. По огнестойкости: с I по IV степень

А) Предел огнестойкостиконструкций – время (мин) наступления одного или нескольких признаков предельных состояний

· Потери несущей способности – R

· Потери целостности – Е

· Потери теплоизолирующей способности – I

Б) классы конструктивной опасности

КО – не пожароопасные

К1 – мало пожароопасные

К2 – умеренно пожароопасные

В) классы функциональной опасности: Ф1-Ф4 – для конкретных зданий

6. По долговечности время службы здания, после которого его эксплуатация невозможна

I степень – срок службы свыше 100 лет

II степень: 50 -100 лет

I степень: 30 – 50 лет

7. Классы зданий по капитальности:

I класс – крупные общественные и жилые выше 9 этажей

II класс – массовые общественные и жилые 6-9 этажей

III класс – небольшие общественные и жилые 3-5 этажей

IV – малоэтажные жилые и временные

1. Т. Пределы огнестойкости К в зависимости от огнестойкости здания – 11

2. Выписать термины – помещение, этаж, перекрытие – с.7

3. Конспект «Качество оптимальной среды для человека в помещении» – с.8

Лекция 2. Нагрузки и воздействия

1. Постоянные нагрузки – вес конструкций здания, действуют сверху вниз.

2. Временные нагрузкидлительные +кратковременные:

В) полезная – от людей, оборудования, материалов.

Г) несиловая: температура, атмосферная и грунтовая влага, солнце, шум.

Особые нагрузки

А) сейсмические – землетрясения, подвижки грунта

В) неравномерные деформации грунта и др.

4. Нагрузки в зависимости от места приложения

А) сосредоточенные (оборудование)

Б) равномерно распределённые (вес конструкций, снег)

5. Нагрузки в зависимости от характера действия

А) статические – постоянные (вес конструкций)

Б) динамические (ударные) – порывы ветра.

6. Нагрузки в зависимости от направления:

Прим. Конструкции рассчитывают на неблагоприятные сочетания нагрузок

Прочность, устойчивость и долговечность здания

С учётом восприятия всех нагрузок и воздействий здание должно иметь:

1. Прочность – способность воспринимать воздействия без разрушения и существенных остаточных деформаций.

2. Устойчивость – способность сохранять равновесие при внешних воздействиях, сопротивляться опрокидыванию и сдвигу.

3. Долговечность – прочность, устойчивость и сохранность нормальных эксплуатационных качеств здания и его конструкций во времени.

Самостоятельно. Внешние воздействия на здания – выполнить рисунок и составить схему нагрузок – с. 9

Дата добавления: 2018-04-05 ; просмотров: 1883 ; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ

От чего зависит прочность и долговечность трубопроводов

Ни для кого не секрет, что в настоящее время активно развиваются все области проектирования, строительства и реконструкции. В настоящей статье хотелось бы затронуть направление, вызывающее особое беспокойство у специалистов, а именно — расчетов прочности и жесткости трубопроводов различного назначения.

Трубопроводному транспорту присущ целый ряд специфических особенностей, ведь он охватывает многие отрасли народного хозяйства. Трубопроводы имеют огромную протяженность и предназначены для передачи на расстояние жидких, газообразных или твердых продуктов, в том числе высокоагрессивных, токсичных, пожаровзрывоопасных, канцерогенных и радиоактивных. Кроме того, прокладка трубопроводов осуществляется и под землей, и под водой, и внутри строительных конструкций, что усложняет их монтаж и техническое обслуживание. А аварии на трубопроводах очень опасны, так как сопровождаются большими потерями природных ресурсов и широкомасштабным загрязнением окружающей среды.

Безусловно, долговечность и прочность трубопроводов зависят от разнообразных внешних воздействий, таких как температурное расширение, сосредоточенные и распределенные нагрузки, смещение опор, растяжка. Причем данные воздействия могут носить как постоянный (статический), так и переменный (циклический) характер. Циклические воздействия обычно обусловлены случайными колебаниями температуры транспортируемой среды. Для оценки устойчивости трубопровода к таким воздействиям необходимо производить грамотные расчеты с использованием передовых технологий, способных свести риск к минимуму, обеспечив надежность и безопасную эксплуатацию трубопроводных систем. Вот почему столь важны расчеты трубопроводов на прочность, благодаря которым обеспечивается их надежная работа в течение заданного срока службы.

Екатерина Митюхина, ведущий инженер ПТО, НП «Энергия» (г.Москва): «Я не первый год занимаюсь расчетами прочности трубопроводов, но функционала программного обеспечения, которое мы использовали прежде, сегодня уже недостаточно. В старой программе есть ряд недостатков, которые увеличивают время и трудоемкость работы. В первую очередь это сложность задания специальных компенсирующих устройств. Например, в характеристиках самого устройства присутствуют одни данные, а вот в программу надо заносить другие. Это приводит к тому, что приходится вручную выполнять дополнительный расчет, чтобы получить необходимые данные для ввода. Кроме того, в ней маленькая база материалов трубопроводов, поэтому в некоторых случаях эти данные приходится указывать дополнительно.

По этим причинам уже почти год я и мои коллеги используем в своей работе СТАРТ. Оказалось, что работать с ней не только удобно, но и интересно, так как приобретаются новые навыки и знания. Ввод информации в СТАРТ для проведения расчета не вызывает никаких сложностей. Результаты расчета наглядны. Система упрощает анализ и выбор оптимальной схемы трубопроводов. Кроме того, она имеет ряд модулей, расширяющих функционал и позволяющих, помимо расчетов собственно прочности и жесткости трубопроводов, решать массу дополнительных вопросов, увеличивать производительность, сокращать число ошибок, что в итоге повышает качество проектной документации, снимает с проектировщиков бремя утомительной рутинной работы и позволяет уделять больше времени поиску творческих инженерных решений.

Удобно и то, что СТАРТ выпускается в нескольких модификациях, которые позволяют выбрать оптимальное соотношение «цена / сложность производимых расчетов/взаимодействие с другими программными продуктами».

Производить подобные расчеты вручную — значит, во-первых, подвергать риску надежность проектируемой конструкции, а во-вторых, терять драгоценное время, что в условиях жесткой конкуренции не может себе позволить ни одна проектная или конструкторская организация. Ведь современные средства автоматизации дают возможность сократить сроки проектирования в 4-5 раз и вместе с тем существенно повысить качество проектов.

Как показывают опросы и непосредственное общение с проектировщиками, самыми востребованными являются программные средства для расчета прочности и жесткости трубопроводов.

Использовать для этих целей зарубежное программное обеспечение российские проектировщики не могут по той простой причине, что не во всех приложениях учитываются отечественные нормативы, стандарты и элементы. Не говоря уж о том, что зарубежные программы значительно дороже российских.

Что можно порекомендовать проектным организациям, стоящим перед проблемой выбора системы для расчета прочности трубопроводов? Такая система должна отвечать ряду основных требований, к которым относятся:

  • универсальность — пригодность для решения широкого круга задач, отсутствие количественных ограничений, сужающих возможность применения ПС при расчете реальных объектов;
  • простота и наглядность подготовки исходных данных, полнота и обозримость результатов расчета. Если нормы оценки прочности требуют проведения расчета для нескольких расчетных сочетаний нагрузок, то это должно выполняться автоматически;
  • возможность проведения экспресс-анализа в процессе конструирования объекта путем обращения к специальным расчетным процедурам;
  • возможность стыковки расчетной ПС с различными системами трехмерного моделирования объектов в целях получения интегрированной системы проектирования;
  • достаточно скромные требования к оборудованию и сопутствующему программному обеспечению.

Многие проектировщики убеждены, что в полной мере всем вышеперечисленным требованиям отвечает программное средство СТАРТ, к тому же имеющее дружественный интерфейс, который легко осваивается конечным пользователем. Этим объясняется постоянно растущий спрос на программную систему (ПС) СТАРТ, созданную и, что немаловажно, постоянно совершенствуемую московскими разработчиками.

Ленченков Е.В., Инженер ПКО ООО «ЛУКОЙЛ-ПНОС», г.Пермь: «СТАРТ — основная расчетная система прочности и жесткости трубопроводов в ПКО. Программа проста в освоении и использовании — она имеет дружественный интерфейс. При этом расчеты, выполняемые программой, достаточно качественны. С каждой новой версией система улучшается. Например, в последней версии появилась возможность зуммирования и панорамирования подобно интерфейсу AutoCAD. Из функциональных возможностей новой версии стоит отметить появление функции врезки штуцера в оборудование, а также создание спецификаций. Резюмируя, можно сказать, что программный комплекс СТАРТ позволяет нам эффективно решать задачи моделирования и расчета технологических трубопроводов.»

Сегодня СТАРТ является одной из самых распространенных в России и странах СНГ прикладных ПС для расчета прочности и жесткости трубопроводов. Общее число ее пользователей растет с каждым днем. Среди них — проектно-конструкторские отделы крупных заводов, проектные организации химического, газового, нефтяного, энергетического профиля и ряда других отраслей.

Можно с уверенностью сказать, что ПС СТАРТ относится к категории прикладных систем массового применения, то есть благодаря интуитивно понятному интерфейсу и наличию необходимых баз она доступна любому пользователю, а не только инженерам-расчетчикам. Это не означает, конечно, что инженер-расчетчик при эксплуатации ПС не нужен, просто его богатый опыт используется более эффективно. Теперь инженер-расчетчик не готовит сам задание на расчет, не анализирует и не оформляет его результаты. Он приходит на помощь конструктору трубопровода только в тех случаях, когда требуются более глубокие знания при выборе расчетной схемы трубопровода или когда результаты расчета вызывают у конечного пользователя сомнения.

Опыт эксплуатации ПС на персональных компьютерах показывает, что для многих организаций, применяющих СТАРТ, достаточно консультаций по горячей линии, осуществляемых поставщиком в рамках годового гарантийного обслуживания.

С целью ускорения «вхождения» в программу, грамотной оценки стоящих перед инженерами-расчетчиками задач и эффективного изучения инструментария разработан специальный обучающий курс, позволяющий всего за несколько дней освоить основные принципы работы с различными модулями системы и приобрести навыки, которые облегчают и ускоряют взаимодействие между проектировщиками.

Обучение полезно даже тем, кто уже работает в системе СТАРТ, ведь это прекрасная возможность расширить свои знания о программе, чтобы ничто из ее арсенала не осталось неиспользуемым.

Сергей Валентинович Сунгуров, начальник монтажного отдела ПКБ ОАО «Сибнефть-Омский НПЗ» (г.Омск): «Я работаю с ПО СТАРТ около 20 лет. Могу с уверенностью сказать, что, выполнив расчеты в этой программе, можно спать спокойно. Хотя, как и в любом ПО, здесь есть свои узкие места. В основном эти проблемы связаны с переходом EC под DOS, а затем под различные версии Windows.

Более того, СТАРТ не стоит на месте — появляется новый функционал, дополнительные возможности, пополняются базы. У СТАРТа удобный для пользователя интерфейс.

Программа довольно проста в освоении и эксплуатации, поэтому квалификации наших специалистов вполне достаточно, чтобы самостоятельно начать работать с ней. Возникающие вопросы и проблемы при более глубоком изучении ПС СТАРТ решались и решаются совместно с разработчиками программы и консультантами «Инфарс».

Я не задавался целью определять сроки окупаемости ПО, но и так понятно, что решение проблем с трубопроводными системами на стадии проектирования существенно сокращает затраты на устранение недочетов в «железе». Так что относительно высокая стоимость программы вполне оправданна».

Читайте также:  Позволяет выполнить работу практически без отходов

Ввод и корректировку данных по трубопроводу можно осуществлять как в графическом, так и в табличном виде. Графическое изображение трубопровода можно рассматривать в увеличенном масштабе, перемещать экран по этому изображению, вращать оси координат, то есть рассматривать трубопровод с разных точек зрения. Вместе с изображением трубопровода можно выводить различную информацию: длины всех участков, проекции всех участков на любую ось координат, изображение трубопровода со всеми соединительными деталями и креплениями. Графическое изображение может быть и в одну линию, как это принято в изометрических чертежах трубопроводов, и в объеме.

Алгоритмы программы СТАРТ соответствуют методикам и нормам расчета энергетических установок, тепловых сетей, нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств, магистральных газо- и нефтепроводов.

ПС СТАРТ рассчитывает как самокомпенсирующиеся трубопроводы, в которых восприятие температурных расширений обеспечивается гибкостью самой трубопроводной трассы, так и трубопроводы со специальными компенсирующими устройствами.

Рассчитываются трубопроводы практически любой сложности: плоские, пространственные, разветвленные, с замкнутыми контурами; с различными конструкциями концевых и промежуточных опор; подверженные разнообразным внешним воздействиям. При необходимости с помощью программы осуществляется автоматический подбор пружин упругих опор и расчет их затяжки.

Программная система имеет дополнительные опции (модули), поставляемые по желанию заказчика и позволяющие рассчитывать участки бесканальной прокладки в грунте, отбраковочные толщины труб и фитингов, назначенный ресурс проектируемых стальных технологических трубопроводов, перерабатывать расчетные схемы трубопроводов в файлы типа DXF для дальнейшей обработки инструментальными системами АutoCAD или MicroStation, преобразовывать исходные данные и результаты расчета в открытый формат и т.д. Таким образом, организация-пользователь имеет возможность самостоятельно, без участия авторов ПС осуществить стыковку СТАРТ с любой системой моделирования промышленных установок, насыщенных трубопроводами.

В процессе проектирования трубопровода нередко возникает необходимость в проверке прочности или долговечности его отдельных элементов, а также компенсирующей способности некоторых участков трассы. Для этих целей предусмотрена самостоятельная программа СТАРТ-Экспресс. Она выполняет оценку прочности в объеме требований действующих норм для типовых схем, таких как: повороты Г- и Z-образной формы, участки с П-образными компенсаторами, типовые схемы врезок ответвлений в основную магистраль с учетом влияния длин прилегающих участков. Программа СТАРТ-экспресс также позволяет определять расстояние между опорами и между стартовыми компенсаторами, производить проверку местной и общей устойчивости труб, герметичности фланцевых соединений, определять толщину стенки и проверять на внутреннее давление трубы, различные типы отводов, тройников и переходов. Программа призвана избавить проектировщика от необходимости использовать ручные инструменты (номограммы, таблицы, пособия и т.д.) для оценки прочности и компенсирующей способности трубопроводов на стадии их конструирования. Она создана в расчете не только на опытного проектировщика, но и на сотрудника средней квалификации, который необязательно должен ориентироваться во всех тонкостях применения нормативных документов, касающихся прочности трубопроводов.

Рамки статьи не позволяют подробно рассказать о возможностях и достоинствах системы СТАРТ. С нашей точки зрения, лучшая характеристика ПО — это отзывы его пользователей.

Старший специалист отдела разработки методик и проведения консультаций Группы компаний «ИНФАРС».

Конструкция фундаментов. Прочность и долговечность здания

От конструкции фундамента и качества его выполнения во многом зависит прочность и долговечность здания. Конструкцию фундамента выбирают, учитывая особенности грунта и климатические условия.

Если допустима небольшая глубина заложения фундамента, то целесообразно выбрать ленточную конструкцию. В других случаях делают столбчатые фундаменты.

Но возможны и другие варианты, например, песчаные фундаменты. Они особенно уместны и экономичны, если дом представляет собой небольшое деревянное одноэтажное здание, не создающее значительной нагрузки на грунт, а сам грунт непучинистый, с низким уровнем подпочвенных вод и хорошим естественным дренажем.

Материалом для фундаментов служат: бутовый камень, бутобетон, монолитный бетон, бетонные блоки, керамический полнотелый кирпич-железняк и др.

Основанием, на которое опирается фундамент здания, является грунт. Он должен быть достаточно прочным и иметь незначительную сжимаемость и пучинистость. Такими свойствами обладают далеко не все грунты. Например, торфяные грунты сильно сжимаются под нагрузкой, глинистые — нередко пучинятся (разбухают).

Строительство домов на таких грунтах требует проведения различного рода мероприятий, связанных с осушением застраиваемой территории, заменой негодного грунта привозными материалами и т.п. Лесовидные грунты при насыщении водой оседают под действием массы строения, вызывая нарушение его конструкций. Перед началом строительства на таких грунтах принимают меры, предотвращающие увлажнение основания.

Глубина промораживания основания зависит от климатических особенностей местности. Например, в Московской области эта величина составляет 120 см, Новосибирске — 220 см, Краснодаре — 80 см.

Прежде чем строить здания, надо определить необходимую глубину закладки фундаментов, пользуясь справочной литературой и Строительными нормами.

На фундамент нередко воздействуют также силы бокового пучения. Уменьшить их влияние можно, если фундамент в поперечном сечении сделать со скосом, обмазать его битумом, утеплить отмостки и провести другие мероприятия, снижающие глубину промерзания основания.

В тех случаях, когда фундамент сооружают в виде столбов или свай, следует иметь в виду, что на конструкцию воздействует также сила сдвига. Противостоять этим силам может фундамент с достаточной продольной жесткостью.

Устройство столбчатого фундамента

Для деревянных небольших домов наиболее предпочтительны столбчатые фундаменты, которые дают значительную экономию материала.

Преимущества их особенно очевидны при возведении рубленых, брусчатых и каркасных домов, когда не нужно делать специальных перемычек между столбами. Применение столбчатых фундаментов ограничено на слабонесущих грунтах при строительстве домов со стенами из тяжелых конструкций. Кроме того, возникают сложности при устройстве цоколя.

Устройство фундаментов начинается с разбивки в натуре плана сооружения. Прямые углы устанавливают с помощью «египетского треугольника» с соотношением сторон 3:4:5, выполненного из веревки, мягкой проволоки или сбитого из длинных досок. Окончательную проверку прямоугольности плана производят измерением диагоналей.

Столбы, которые располагают на расстоянии 1,5–2,5 м друг от друга, изготавливают из камня, кирпича, бетона, бутобетона, железобетона. Их обязательно ставят под углы дома, в местах пересечения стен, под стойками каркаса. Размер бутобетонных столбов — 60 × 60 см, кирпичных — 50 × 50 см. Под легкие каркасные дома сечение столбов можно уменьшить.

Столбы фундамента располагают под всеми углами сооружения и в местах сочленения наружных стен с внутренними. При больших размерах дома между основными (угловыми) столбами устанавливают промежуточные с таким расчетом, чтобы расстояние между соседними столбами не превышало 2м. Глубина заложения столбов определяется глубиной промерзания грунта в конкретной местности плюс 10–25 см.

Надо знать, что бетон, каменная и кирпичная кладка хорошо сопротивляются сжатию и плохо — растяжению. Поэтому главное — обеспечить вертикальность столбов фундамента и избежать внецентренного сжатия (когда столб нагружен не точно по его оси), чтобы не возникли опасные растягивающие напряжения. Поперечные размеры столбов зависят от нагрузки, хотя в самодеятельном строительстве их обычно завышают.

Особенно привлекательным является столбчатый фундамент в виде буровых свай.

Сравнительно легко и быстро сделать. Всего 20 минут надо, чтобы пробурить скважину ручным буром глубиной 1,5 м при очень существенной экономии материалов.

Если грунт обладает обычной несущей способностью (примерно 4 кгс/см2), достаточно пробурить скважину диаметром 240 мм, вставить в нее асбестоцементную трубу диаметром 200 мм, уплотнить трубу снаружи грунтом, чтобы она держалась вертикально, и затем заполнить бетонной смесью примерно на 1/3 высоты. Далее трубу приподнимают, бетонная смесь из нее выходит и образует уширенное основание буровой сваи. Трубу следует приподнять до требуемой проектной высоты, обозначенной натянутым шнурком. После этого остается добавить в трубу бетонную смесь до отметки, на 10–15 см ниже верхнего обреза трубы, уплотнить смесь штыкованием, воткнуть в смесь стержень из арматурного железа, и опора готова. После того как смесь схватится и наберет достаточную прочность (летом в теплую погоду через 3–5 сут.), можно на этот столбчатый фундамент устанавливать нижний венец сруба или балки нижней обвязки каркаса.

При этом, конечно, надо соблюдать осторожность, так как бетон еще не набрал проектной прочности. Чтобы надежно связать возводимые стены с фундаментом, к нижним элементам стен крепят стальные анкеры так, чтобы они вошли в верхние части труб (те 10–15 см), пока не заполненные бетонной смесью. Когда анкеры войдут в трубы, их заливают бетоном.

Иногда при отсутствии асбестоцементных труб скважины просто забивают бетонной смесью, добавляя в качестве «изюма» небольшие камни, кирпичный лом и т.п. Такой вариант возможен, но необходимо здесь учесть одну неприятную перспективу. Часто такой столб получается с уширением вверху из-за разработки грунта буром. Такое уширение очень опасно, и опасность состоит в том, что зимой промерзающий грунт, действуя на уширенную часть, выталкивает столб из грунта или разрывает его.

Избежать выталкивания можно благодаря гладкому цилиндру, установленному вверху скважины по ее диаметру. Проще всего этот цилиндр сделать из кровельной жести. В таком цилиндре легко оставить и место для анкеров.

Устройство ленточного фундамента

Ленточные фундаменты применяются как для тяжелых каменных стен сплошной кирпичной кладки, так и для деревянных рубленых стен. Ленточные фундаменты, хотя и отличаются простой технологией, массивны и более трудоемки, для них требуется большое количество материалов. Подошва их располагается обычно на 20 см ниже глубины промерзания. Если грунт сухой или песчаный, подошву фундамента можно закладывать выше глубины промерзания, но не меньше чем на 50–70 см от уровня земли. Для экономии материала (до 50%) дно траншеи можно заполнять крупнозернистым песком. Такие фундаменты можно применять в любых грунтах независимо от их влажности. Подошва фундамента располагается на расчетной глубине заложения, а каменная кладка заменена песчаной подушкой глубиной 40–60 см. На дно траншеи насыпают песок слоями по 15–20 см. Каждый слой поливают водой и тщательно трамбуют. Затем укладывают слой гравия или щебня толщиной около 10 см и заливают цементно-песчаным раствором, после него — следующий слой и т.д. Над поверхностью земли бетон укладывают в опалубку до нужной высоты и устраивают гидроизоляцию. Такой вариант может сэкономить до 50% бетона.

Кладку выводят выше нулевой отметки, выравнивают раствором и устраивают гидроизоляцию из двух слоев рубероида на битумной мастике. Для кладки фундаментов используют бутовый камень, щебень или гравий, а также пережженный и битый кирпич на цементно-песчаном или цементно-известково-песчаном растворе, в зависимости от влажности грунта и уровня грунтовых вод.

Устройство фундаментов начинается с разбивки в натуре плана сооружения. Прямые углы устанавливают с помощью «египетского треугольника» с соотношением сторон 3 × 4 × 5, выполненного из веревки, мягкой проволоки или сбитого из длинных досок. Окончательную проверку прямоугольности плана производят измерением диагоналей.

Разбивку плана траншей и котлованов производят с учетом допустимой крутизны земляных откосов. Вертикальные стенки высотой 1–1,2 м можно оставлять лишь в плотных глинистых и суглинистых грунтах при отсутствии грунтовых вод. В других случаях следует предусматривать земляные откосы или временное крепление стен жердями, подтоварником, горбылем. Кладку фундаментов производят, как правило, сразу после рытья траншей или ям. Воду и разжиженный грунт следует удалить. При устройстве песчаного фундамента особое внимание следует уделить послойному трамбованию песка с поливкой каждого слоя водой через 10–15 см.

Кирпичные фундаменты лучше установить на высокой песчаной подушке: качество их улучшается, экономится кирпич. Для ускорения строительства эффективно применение сборных бетонных блоков. Изготовить их можно заранее, используя в качестве опалубки доски.

По периметру будущей постройки, под наружными и несущими внутренними стенами роют траншею для фундамента. Кладку выводят выше нулевой отметки, выравнивают раствором и устраивают гидроизоляцию из двух слоев рубероида на битумной мастике. Для кладки фундаментов используют бутовый камень, щебень или гравий, а также пережженный и битый кирпич на цементно-песчаном или цементно-известково-песчаном растворе (в зависимости от влажности грунта и уровня грунтовых вод).

Для сохранности фундамента его необходимо защитить от поверхностных вод и дождя: устроить отмостку шириной не менее 1 м, которая имеет уклон от стен здания и отводит от них влагу. Ее делают сразу после завершения фундамента. Для этой цели лучше всего подходит жирная глина, которую укладывают в углубление в земле, засыпают тонким слоем гравия с песком и слегка трамбуют.

Устройство плавающего фундамента

На тяжелых пучинистых, насыпных и слабонесущих грунтах при строительстве небольших зданий прямоугольного очертания возможно устройство мелкозаглубленных подвижных, так называемых плавающих фундаментов из сплошных или решетчатых монолитных или сборно-монолитных железобетонных плит.

Большая площадь опоры плит позволяет снизить давление на грунт до 10 кПа (0,1 кгс/см2), перекрестные ребра жесткости создают конструкцию, достаточно устойчивую к знакопеременным нагрузкам, возникающим при замораживании, оттаивании и просадке грунта. Для их устройства применяют высокопрочный бетон (не ниже класса В 7,5) и арматурные стержни диаметром не менее 10–12 мм. Относительно большой расход бетона и арматурной стали можно считать оправданным, если все другие технические решения фундаментов в этих условиях не могут гарантировать их надежную работу.

Для легких зданий и конструкций можно рекомендовать следующее построение плавающего фундамента: копаете траншею на 60 см, засыпаете на 10 см щебень, 50 см песок, хорошо пролить водой, осядет, досыпать до уровня, на уровне земли отлить из бетона плитки под столбики, столбики из кирпича кладешь, 1,5–2 кирпича шириной. Можно маленькие блоки бетонные подвести, рубероид сверху, доска 40 мм, пропитанная от гниения.

Смысл всей этой конструкции такой, что если под фундаментом вода, то она должна быть под ним везде, тогда все будет равномерно подниматься/опускаться.

Фундамент из крупнозернистого песка

Наиболее экономичны фундаменты из крупнозернистого песка. Их устраивают под небольшие одноэтажные здания на непучнистых грунтах с низким уровнем стояния подпочвенных вод, на 0,5–1 м ниже уровня заложения фундамента и хорошим поверхностным водоотводом.

Песчаный фундамент потребует минимума земляных работ и расхода дорогостоящих строительных материалов. Удалив почвенно-растительный слой, можно приступать к отсыпке песка. Нижнюю часть фундамента сформируют несколько последовательно уложенных слоев толщиной по 15–20 см. Каждый после укладки трамбуется и поливается водой. Верхняя часть (не доходя 25–30 см до планировочной отметки) выполняется из скрепленных цементным раствором гравия, щебня или кирпичного боя с послойным трамбованием.

Ссылка на основную публикацию