Материалы и элементы металлических конструкций

Раздел № 1. Материалы и элементы металлических конструкций. 1. Состав, механические свойства, классы и марки строительных сталей и алюминиевых сплавов 1.1. Строительные стали Сталь — это сплав железа с углеродом и некоторыми добавками. Доля углерода не превышает 2,14 %. Железо обеспечивает твердость металла, однако его чрезмерное содержание приводит к излишней хрупкости сплава. Химический состав стали существенно влияет на ее физико-механические свойства, при этом одни химические элементы являются легирующими, улучшающими некоторые свойства стали, другие, остающиеся в процессе ее выплавки, — вредными, ухудшающими свойства. По способу выплавки сталь разделяется на мартеновскую, кислородно-конверторную, электросталь и сталь из железа прямого восстановления. По степени раскисления сталь делят на кипящую, полуспокойную и спокойную. При выплавке стали из передельного чугуна выделяется газ (СО и СО2), вызывающий кипение металла, продолжающееся в разливочном ковше и в изложницах до затвердевания слитка. Такая сталь называется кипящей. В этой стали наблюдается резкая неоднородность по содержанию углерода, серы и фосфора, что существенно влияет на однородность механических свойств, особенно при толщине проката более 20 мм. Спокойная сталь раскисляется в сталеплавильном агрегате, а также в ковше при выпуске из печи с помощью раскислителей: марганца, кремния, алюминия, иногда кальция и титана. Эти элементы более активно соединяются с кислородом, чем углерод, поэтому окисление углерода прекращается и сталь перестает кипеть. Слитки спокойной стали гораздо однороднее по химическому составу, то же относится и к прокату. Применение раскислителей, увеличение времени плавки и ряд других факторов делают спокойную сталь значительно дороже кипящей. Компромиссный вариант между качеством спокойной стали и дешевизной кипящей — полуспокойная сталь, получаемая либо частичным раскислением, либо химическим закупориванием в бутылочных изложницах путем введения раскислителя в головную часть слитка после окончания разливки. Такая сталь обладает высокими техникоэкономическими показателями и более низкой стоимостью, чем спокойная сталь. Промышленная поставка стали в зависимости от нормируемых свойств осуществляется по трем группам: А (гарантия по механическим свойствам), Б (гарантия по химическому составу) и В (гарантия по механическим свойствам и химическому составу), — с поставкой по 2—6 категориям в отношении ударной вязкости. Категории стали для каждой марки отражают ее химический состав, временное сопротивление, относительное удлинение и другие характеристики, которые учитываются при проектировании конструкций. В зависимости от вида поставки стали, они подразделяются на горячекатаные и термообработанные (нормализованные или термически улучшенные). При нормализации (нагреве до температуры образования аустенита и последующего охлаждения на воздухе) измельчается структура стали, повышается ее однородность, увеличивается вязкость. При термическом улучшении (закалке в воде и высокотемпературном отпуске) получаются, стали высокой прочности, хорошо сопротивляющиеся хрупкому разрушению. По прочностным свойствам стали условно делят на три группы: обычной прочности (с пределом текучести m = Rvn < 290 МПа), повышенной прочности (290МПа ≤ Rvn < 400МПа) и высокой прочности (Rvn > 400 МПа). Повышение прочности стали достигается легированием и термической обработкой. Надежность и долговечность стальных конструкций во многом зависит от свойств материала. Наиболее важными для работы конструкций являются механические свойства: прочность, упругость, пластичность, склонность к хрупкому разрушению, ползучесть, твердость, а также свариваемость, коррозионная стойкость, склонность к старению и технологичность. Прочность характеризует сопротивление материала внешним силовым воздействиям без разрушения. Упругость — свойство материала восстанавливать свою первоначальную форму после снятия внешних нагрузок. Пластичность — свойство материала получать остаточные деформации (не возвращаться в первоначальное состояние) после снятия внешних нагрузок. Хрупкость — это склонность материала к разрушению при малых деформациях. Ползучесть — свойство материала непрерывно деформироваться во времени без увеличения нагрузки. Ползучесть в металлах, применяемых в строительных конструкциях, проявляется при высоких температурах. Твердость — свойство поверхностного слоя металла сопротивляться деформации или разрушению при внедрении в него индентора из более твердого материала. Основными показателями, характеризующими хрупкие и пластические свойства стали, являются относительное удлинение и условная ударная вязкость, измеряемая удельной работой, затрачиваемой для разрушения ударом стандартного образца с надрезом. Основной способ соединения элементов стальных конструкций — сварка, поэтому важнейшим требованием, предъявляемым к строительным сталям, является свариваемость. Оценку свариваемости производят по химическому составу, а также путем применения специальных технологических проб. Коррозионная стойкость определяет долговечность стальных конструкций и зависит от химического состава. Мерой коррозионной стойкости служит скорость коррозии по толщине металла в мм/год. При изготовлении и монтаже конструкций широко используют такие операции, как гибка, резка, строжка, сверление отверстий и т.д. Они связаны с процессами упругопластического изгиба, скалывания, обработки резанием, термическими воздействиями. Для качественного выполнения этих операций металл должен иметь соответствующие технологические свойства, оценку которых производят по химическому составу. К важным механическим свойствам строительных сталей относятся явления наклепа, старения, неравномерного распределения напряжений и усталости. Наклеп — это увеличение области упругой работы стали к > Ryn путем предшествующего растяжения выше предела текучести (рис. 2). При повторном нагружении стали она начинает работать упруго до напряжения к ,однако при этом значительно повышается ее хрупкость. Сталь с течением времени под воздействием силовых и температурных колебаний постепенно изменяет свои свойства, улучшая, подобно наклепу, упругие свойства и снижая пластичность. Это свойство стали, называется старением. Опасности разрушения металлические конструкции подвергаются особенно тогда, когда в рабочих сечениях появляются так называемые концентраторы напряжений, или ослабления в виде отверстий, надрезов и выточек. Все эти концентраторы вызывают возмущение напряженного состояния. Рис. 2. Диаграммы растяжения стали при наклепе: а — диаграмма высокопрочной стали; б, в — диаграмма мягкой стали, растянутой до пластического состояния (пунктирная линия) и после снятия нагрузки и повторного нагружения. Наиболее опасным воздействием на металл оказывается явление усталости — разрушение металла под воздействием многократно повторяющейся, особенно знакопеременной, нагрузки. Разрушение конструкции при этом, как правило, мгновенное. Сопротивление конструкции усталостным разрушениям называется выносливостью. При проектировании конструкций, работающих при динамических и знакопеременных нагрузках, нормы предусматривают снижение расчетных сопротивлений, сокращение объемов применения сварных конструкций и соединений с концентраторами напряжений. Значения механических характеристик стали, устанавливают в государственных стандартах (ГОСТ) и технических условиях (ТУ). В необходимых случаях при заказе металла оговаривают дополнительные требования по тем или иным свойствам. Физические характеристики стали и чугуна приведены в табл. 1. При выделении марок сталей используют такие характеристики: 1. Химический состав. Это один из основных параметров, используемый при разделении сплавов на классы. По химическому составу стали делятся на марки легированной и углеродистой стали. При этом вторые могут быть малоуглеродистыми (с долей углерода не более 0,25 %), среднеуглеродистыми (0,25–0,6 %), высокоуглеродистыми, где больше 0,6 % углерода. Добавляя в металл легирующие элементы, маркам стали сообщают определенные свойства. Различные комбинации видов и долей содержания добавок способны положительно отражаться на механических, магнитных, электрических свойствах сплавов, увеличивать их сопротивление ржавчине. Безусловно, изменять качество металлов можно методом термообработки, однако использование добавок наиболее эффективно. По доле содержания в металле легирующих элементов стали делят на низколегированные (до 2,5 % легирующих элементов), среднелегированные (с содержанием 2,5–10 %), высоколегированные сплавы с долей добавок свыше 10 %. 2. Назначение. По данному признаку стали принято делить на инструментальные, конструкционные и прецизионные, то есть отличающиеся особыми физическими характеристиками. Первые идут на изготовление штамповых, мерительных, режущих инструментов, тогда как вторые используются при производстве продукции для сферы строительства и машиностроения. Последняя разновидность идет на изделия, от которых требуются особые качества, например, имеющие определенные магнитные, прочностные характеристики. 3. Химические свойства. Речь идет о разделении сталей на нержавеющие, окалиностойкие, жаропрочные, пр. Марки нержавеющей стали делятся на две разные категории: коррозионностойкие и нержавеющие пищевые. Существует множество видов стали, однако основная доля выплавляемого металла идет на производство конструкционной стали. Она бывает таких видов:  Строительная. Это низколегированный сплав с хорошей свариваемостью, который чаще всего используется для изготовления строительных конструкций.  Пружинная. Отличается высокими показателями упругости, усталостной прочности, сопротивления разрушению. Применяется для производства пружин, рессор.  Подшипниковая. Ее главными свойствами является высокая износостойкость, прочность, низкая текучесть. В соответствии со своим названием, данная разновидность используется при производстве узлов и элементов подшипников различного назначения.  Коррозионностойкая, также известная как нержавеющая. Это высоколегированная сталь, обладающая повышенной стойкостью к воздействию агрессивных веществ.  Жаропрочная. Изделия из нее могут долгое время работать в нагруженном состоянии при повышенных температурах, поэтому данная марка используется при производстве деталей двигателей, в том числе газотурбинных.  Инструментальная. Является материалом для изготовления измерительных инструментов, а также устройств для обработки металлов и древесины.  Быстрорежущая. Используется при производстве металлообрабатывающего оборудования.  Цементируемая. Необходима в качестве материала деталей и узлов, функционирующих при серьезных динамических нагрузках в условиях поверхностного износа. При расшифровке марок сталей используются следующие буквы которыми принято обозначать те или иные химические элементы, входящие в состав марки или сплава. Например, буквой Х - обозначается хром, Н никель, К - кобальт, М - молибден, В - вольфрам, Т - титан, Д - медь, Г - марганец, С - кремний, Ф - ванадий, Р - бор, А - азот, Б - ниобий, Е - селен, Ц - цирконий, Ю - алюминий, Ч - показывает о наличии редкоземельных металлов. Также существуют свои обозначения для разных типов сталей в зависимости от их состава и предназначения. Буквенные обозначения применяются также для указания способа раскисления стали: КП — кипящая сталь ПС — полуспокойная сталь СП — спокойная сталь Конструкционные стали обыкновенного качества нелегированные обозначают буквами Ст. (например, Ст3; Ст3кп) Цифра, стоящая после букв, условно обозначает процентное содержание углерода в стали (в десятых долях), индекс кп указывает на то, что сталь относится к кипящей, т.е. неполностью раскисленная в печи и содержащая незначительное количество закиси железа, что обусловливает продолжение кипения стали в изложнице. Отсутствие индекса означает, что сталь спокойная. Конструкционные нелегированные качественные стали (например, Ст.10; Сталь 20; Ст.30; Ст.45), обозначают двузначным числом, указывающим на среднее содержание углерода в стали 0,10%; 0,20%; и т.д. Конструкционная низколегированная 09Г2С расшифровывается как сталь, углерода в которой около 0,09% и содержание легирующих компонентов марганца, кремния и других, составляет в сумме менее 2,5%. Стали 10ХСНД и 15ХСНД отличаются разницей углерода, в таких сталях среднее содержание каждого элемента содержится менее 1% процента, поэтому цифры за буквой не ставятся. Конструкционные легированные стали, такие как 20Х; 30Х; 40Х обозначают буквами и цифрами, в данном случае марка показывает содержание углерода и основного легирующего элемента хрома. Цифры после каждой буквы обозначают примерное содержание соответствующего элемента, однако при содержании легирующего элемента менее 1,5% цифра после соответствующей буквы не ставится. 30ХГСА хромокремнемарганцевая сталь, обладает большой прочностью и повышенным сопротивлением к ударным нагрузкам. В состав марки входит углерод 0,30%, кроме углерода содержит марганец, кремний и хром, примерно в равных долях по 0,8-1,1%. Содержание серы и фосфора не должно превышать 0,03% для каждого из этих элементов, поэтому в конце таких марок ставится буква А, что свидетельствует о дополнительных показателей качества марок, (например, 20ХН4ФА; 38ХН3МА). Также обозначаются и конструкционные рессорно-пружинные стали, такие как 60С2А, 65Г, где первые цифры показывают углерод в сотых долях процента. (0,60 и 0,65 соответственно). Качественные стали - для производства паровых котлов и сосудов высокого давления, обозначают как конструкционные нелегированные стали, с добавлением буквы К (например, 20К; 22К). Литейные конструкционные стали обозначаются как качественные и легированные, но в конце наименования ставят букву Л, (35ХМЛ; 40ХЛ и т.п.). Стали строительные обозначают буквой С и цифрами, соответствующими минимальному пределу текучести стали. Дополнительно применяют обозначения: Т — термоупрочненный прокат, К — повышенная коррозионная стойкость, (например, С345Т; С390К и т. п.). Аналогично буквой Д обозначают повышенное содержание меди, ( С345Д; С375Д ). Стали инструментальные нелегированные, делят на качественные, обозначаемые буквой У и цифрой, указывающей среднее содержание углерода (например, У7; У8; У10) и высококачественные, обозначаемые дополнительной буквой А в конце наименования (например, У8А; У10А; У12А) или дополнительной буквой Г, указывающей на дополнительное увеличение содержания марганца (например, У8ГА). Стали инструментальные легированные, обозначаются также как и конструкционные легированные. Возьмем такую марку как ХВГ, расшифровка этой марки показывает наличие в ней основных легирующих элементов: Хрома, Вольфрама, Марганца. Эта сталь отличается от 9ХВГ, повышенным содержанием в ней углерода, примерно 1%, поэтому цифра в начале марки не ставится. Стали быстрорежущие расшифровываются следующим образом - такие марки имеют букву Р (с этого начинается обозначение стали), затем следует цифра, указывающая среднее содержание вольфрама (например, Р18; Р9), затем следуют буквы и цифры, определяющие массовое содержание элементов. (например, сталь Р6М5) цифра 5 показывает долю молибдена в этой марке. Содержание хрома не указывают, т. к. оно составляет стабильно около 4% во всех быстрорежущих сталях и углерода, т. к. последнее всегда пропорционально содержанию ванадия. Следует заметить, что если содержание ванадия превышает 2,5%, буква Ф и цифра указывается (например, стали Р6М5Ф3). Сталь электротехническая нелегированная АРМКО, как ее еще называют: технически чистое железо (например, 10880; 20880 и т.д.) Такие марки содержат минимальное количество углерода, менее 0,04%, благодаря чему имеют очень малое удельное электрическое сопротивление. Первая цифра указывает на вид обработки (1- кованный или горячекатаный, 2- калиброванный). Вторая цифра 0 говорит, что сталь нелегированная, без нормируемого коэффициента старения; 1 с нормируемым коэффициентом старения. Третья цифра указывает на группу по основной нормируемой характеристике. Четвертая и пятая - количество значения основной нормируемой характеристики. Строительные металлические конструкции изготовляют также из сталей, поставляемых по ГОСТ 380—88* «Сталь углеродистая обыкновенного качества», ГОСТ 19281—89 «Прокат из стали повышенной прочности. Общие технические условия» и другим стандартам, в которых обозначение стали носит название марки стали. Например, в обозначении ВСт3псб буква В определяет группу поставки; Ст3 — собственно марку стали; пс — полуспокойную по степени раскисления; цифра 6 — категорию поставки. Разберем расшифровку «12Х18Н10Т» (для записи марки стали может использоваться аналог «X12CrNiTi18-10»):  «12» говорит о доле углерода 0,12 %;  «Х18» – хрома 18 %;  «Н10» – никеля 10 %;  «Т» – титана до 1–1,5 %, из-за чего цифра отсутствует. Марка стали «09Г2С» обозначает, что в составе металла:  «09» –0,09 % углерода;  «Г2» – марганца 2 %;  «C» – кремния в пределах 1–1,5 %, что позволяет не писать соответствующую цифру. Для стали «20ЮЧ» и «20ЮЧА» характерно:  «20» – 0,2 % углерода;  «Ю» – алюминия 0,03–0,1 %;  «Ч» – наличие редкоземельных металлов, таких как цирконий, титан, кальций, церий, необходимых для глобуляризации сульфидных неметаллических включений;  «А» – свидетельствует о высоком качестве металла, так как находится в конце шифра, иными словами, в данной стали содержится не более 0,025 % серы и фосфора.  «30ХГСА» – в данном сплаве присутствует 0,3 % углерода, есть хром (Х), марганец (Г), кремний (С), но их доля не превышает 1,5 %. Знак «А» указывает на высокое качества сплава.  «У8ГА» – инструментальная высококачественная сталь с добавлением марганца и долей углерода 0,8 %.  «Р6М5Ф2К8» – быстрорежущая сталь, в составе которой есть 5 % молибдена, 2 % ванадия, 8 % кобальта. Также в ней присутствует хром, но данный элемент является обязательным для всех быстрорежущих сталей, где его примерно 4 %, поэтому его не указывают в маркировке. Вольфрам тоже всегда есть в составе таких сплавов, но его прописывают, так как доля не фиксирована. В нашем случае сплав содержит 6 % вольфрама.  «Ст3сп5» –конструкционная нелегированная сталь, полностью раскисленная, то есть спокойная, пятой категории. Все эти характеристики говорят о том, что металл подходит для создания несущих сварных конструкций.  «ХВГ» – в данном сплаве есть хром, вольфрам и марганец, но их доля не превышает 1 %. Также присутствуют дополнительные легирующие элементы – не более чем по 0,5 %. Таблица 1 Физические характеристики материалов для стальных конструкций Характеристика Условные обозначения Объемный вес  (плотность) () Коэффициент  линейного расширения Единица измерения кН/см3 кгс/м3 0 -1 С Прокатная Чугун сталь 7,85х10-5 7,2x10-5 3 (7,85х10 ) (7,2х103) -4 0,12x10 (0,l0,12)xl0-4 Модуль упругости Модуль сдвига Коэффициент поперечной деформации (при упругой работе материала) Е МПа 2,06х105 (0,831,3)х105 G  МПа — 0,81х105 0,3 (0,360.5)х105 0,250,35 Выбор стали для металлических конструкций зданий и сооружений производится в зависимости от их назначения и условий эксплуатации. По этим признакам строительные конструкции разделены на 4 группы: Группа 1. Сварные конструкции либо их элементы, работающие в особо тяжелых условиях или подвергающиеся непосредственному воздействию динамических, вибрационных или подвижных нагрузок. Группа 2. Основные сварные конструкции и элементы, работающие при статических нагрузках преимущественно на растяжение, а также конструкции и элементы группы 1 при отсутствии сварных соединений. Группа 3. Основные сварные конструкции и элементы, работающие при статических нагрузках преимущественно на сжатие, а также конструкции и элементы группы 2 при отсутствии сварных соединений. Группа 4. Вспомогательные конструкции и элементы, а также конструкции и элементы группы 3 при отсутствии сварных соединений. Выбор стали, производится в соответствии с табл. 2. Поскольку последняя редакция СНиП II-23—81* «Стальные конструкции» ориентирована на ГОСТ 27772—88, марки стали, могут быть заменены классами стали по этому ГОСТ в соответствии с табл. 3. Таблица 2. Стали по ГОСТ 27772—88 для строительных конструкций Примечание. Знаки «+» и «-» означают, что данную сталь применять следует или не следует. Цифра обозначает категорию стали. Стали для конструкций, возводимых в климатических районах I1, I2, II2 и II3, но эксплуатируемых в отапливаемых помещениях, следует принимать как для района II, за исключением стали С245 и С275 для конструкций группы 2. Остальные примечания в нормах. Таблица 3 Нормативные и расчетные сопротивления стали Сталь Вид проката Толщина, мм Нормативное сопротивление, МПа Расчетное сопротивление, МПа Rуп Rv Run Rи Марка-аналог по другим стандартам С235 лист, фасон лист, фасон лист до 20 21-40 41-100 235 225 215 350 360 360 230 220 210 350 350 350 ВСт3кп2 С245 лист, фасон лист 2-20 21-30 245 235 370 370 240 230 360 360 ВСт3пс6 С255 лист фасон лист фасон 4-10 4-10 11-20 21-40 245 255 245 235 380 380 370 370 240 250 240 230 370 370 360 360 ВСт3сп5, ВСт3Гпс5 С275 лист, фасон лист фасон 2-10 11-20 11-20 275 265 275 380 370 380 270 260 270 370 360 370 ВСт3пс6-2 С285 лист лист фасон фасон 4-10 11-20 4-10 11-20 275 265 285 275 390 380 400 390 270 260 280 270 380 370 390 380 ВСт3сп5-2, ВСт3Гпс5-5 лист, фасон 2-10 11-20 21-40 345 325 305 490 470 460 335 315 300 480 460 450 09Г2С, 14Г2, 12Г2С, ВСт3Гпс С375 лист, фасон 2-10 11-20 21-40 375 355 335 510 490 480 365 345 325 500 480 470 10Г2С1, 15ХНД, 10ХСНД С390 лист 4-50 390 540 380 525 С440 лист 4-30 31-50 440 410 590 570 430 400 575 555 14Г2АФ, 10Г2С1Т.О., 10ХСНД 16Г2АФ С590 лист 10-36 540 635 515 620 С345(Т) 12Г2СМФ Основными расчетными характеристиками стали, являются расчетные сопротивления на растяжение, сжатие и изгиб, определяемые делением нормативных сопротивлений (предела текучести и предела прочности) на коэффициент надежности по материалу: R уп R Rу  ; Rи  ип (3) т т Коэффициент надежности по материалу изменяется в пределах 1,025-1,15. Значения нормативных и расчетных сопротивлений основных строительных сталей приведены в табл. 3. При расчете конструкций с использованием расчетного сопротивления по пределу прочности учитывают повышенную опасность такого состояния путем введения дополнительного коэффициента надежности и= 1,3. При срезе расчетные сопротивления Rs определяют путем умножения расчетного сопротивления Ry на коэффициент перехода 0,58. При сжатии торцевой поверхности в случае плотной пригонки (строжка или фрезеровка торца), согласно нормам, расчетное сопротивление в зоне контакта Rp = Ru. При расчете проката на растяжение в направлении, перпендикулярном плоскости проката из предположения о возможности расслоя, расчетное сопротивление Rth = 0.5Ru. 1.2. Алюминиевые сплавы Алюминий по своим свойствам существенно отличается от стали. Плотность его  = 2700 кг/м3, т.е. почти в три раза меньше плотности стали. Модуль упругости алюминия Е=0,71х105 МПа, модуль сдвига G=0,27xl05 МПа, что примерно в три раза меньше, чем соответствующие величины для стали. Коэффициент линейного расширения алюминия =2,3xl0-5 1/град, что почти в два раза больше, чем у стали. Вследствие весьма низкой прочности технически чистый алюминий в строительных конструкциях применяется очень редко. С целью повышения прочности алюминия его легируют, добавляя в сплав магний, марганец, медь, кремний, цинк и некоторые другие элементы. Легирующие элементы практически не увеличивают массу сплавов. С той же целью повышения прочности применяют различные приемы — термическое упрочнение, нагартовка (наклеп). Алюминиевые сплавы маркируются по следующему принципу: марки литейных сплавов имеют первую букву А, за ней Л. Сплавы для ковки и штамповки за буквой А имеют букву К. После этих двух букв ставится условный номер сплава. Принятые обозначения деформированных сплавов такие: сплава авиаль - АВ, алюминиево-магниевого - АМг, алюминиево-марганцового - АМц. Дуралюмины обозначаются буквой Д с последующим условным номером. Алюминиевые сплавы отличаются высокой коррозионной стойкостью. Это объясняется тем, что на поверхности появляется оксидная пленка, защищающая сплав от воздействия кислорода. От удара по поверхности проката из алюминиевого сплава не возникает искра, как у стали. Это важно для конструкций, применяемых во взрывоопасных производствах. Конструкции из алюминия благодаря малой массе, стойкости против коррозии, хладостойкости, антимагнитности, отсутствию искрообразования, долговечности и хорошему виду имеют перспективу применения во многих областях строительства. Недостатком алюминиевых сплавов является их высокая стоимость (выше стали в 5— 7 раз). Экономически выгодно алюминиевые сплавы применять в качестве ограждающих конструкций, а также в большепролетных конструкциях для резкого уменьшения их собственного веса и в подвижных системах (различные краны). 1.3. Коррозия металлических конструкций и меры борьбы с ней Коррозией металла называется разрушение ее поверхности вследствие химического, электрохимического и биохимического воздействий окружающей среды. В результате коррозии уменьшаются поперечные сечения и несущая способность элементов конструкций. Скорость коррозии выражается уменьшением толщины элементов конструкций (мм) в течение одного года. Скорость коррозии зависит от степени агрессивности среды и от формы поперечных сечений конструкций. Скопление пыли на поверхности конструкции, и периодическое ее смачивание увеличивают скорость коррозии. В наилучших условиях находятся конструкции, обдуваемые воздухом. Наибольшая скорость коррозии реализуется при периодическом выпадении конденсата, однако скорость резко возрастает при достижении так называемой критической относительной влажности , обычно принимаемой равной 70—75 %. Исследования показали, что самой высокой стойкостью против коррозии обладают элементы трубчатого сечения. Стальные элементы двутаврового сечения, расположенные вертикально, корродируют сильнее, чем трубчатые, а элементы, расположенные горизонтально, еще больше подвержены коррозии. Очагами развития коррозии являются щели между элементами пакетов из листов или фасонных профилей. Коррозия стали наиболее интенсивна, когда в атмосфере есть сернистые или хлористые соединения. Скорость коррозии для углеродистой стали обыкновенного качества в обычных атмосферных условиях равна 0,05 мм/год, а в условиях промышленных предприятий — 0,1 мм/год и более. Для низколегированных сталей скорость коррозии меньше. Для предохранения от коррозии стальные конструкции должны быть тщательно очищены и покрыты лакокрасочными материалами. Скорость коррозии алюминиевых сплавов меньше, чем стали, в 5— 10 раз. Наиболее опасны для алюминиевых сплавов щелочные растворы. Конструкции, находящиеся на открытом воздухе, весьма слабо поражаются коррозией. В обычных условиях эксплуатации конструкции из алюминиевых сплавов не нуждаются в защите от коррозии. Конструкции, находящиеся в среде высокой агрессивности, покрывают эмалями или лаками. Большую опасность представляют также места соприкосновения алюминиевых сплавов с другими материалами (сталь, бетон и др.) Поэтому такие поверхности необходимо тщательно изолировать. 1.4. Сортамент В строительных конструкциях применяют в основном прокатную сталь, поставляемую с металлургических заводов в виде профилей различной формы поперечного сечения. Для стальных конструкций используют листовую и профильную сталь. Профильная сталь подразделяется на сортовую (круг, квадрат, полоса, уголки) и фасонную (двутавры, швеллеры и др.). Широко применяются также вторичные профили: сварные, получаемые сваркой полос или листов, и гнутые, образованные холодной гибкой полос и листов (рис. 1). Из сплавов алюминия получают также прессованные профили методом экструзии — разогревом сплава до температуры пластичности и продавливанием через фасонные отверстия в матрице. Рис.1. Типы профилей: а — лист; б — уголок равнополочный; в — уголок неравнополочный; г — швеллер; д — швеллер с параллельными гранями полок; е — двутавр обычный; ж — двутавр с параллельными гранями полок; и — тавр; к — сварной двутавр; л — круглая труба; м — гнутый швеллер; н — гнутый С-образный швеллер; п — гнутый равнополочный уголок; р— гнутый неравнополочный уголок; с— гнутый уголок с отбортовками; т — Z-образный гнутый профиль; у — квадратный гнутосварной профиль; ф — прямоугольный гнутосварной профиль; х - волнообразный настил; ц - трапецеидальный профилированный лист 2. Балки перекрытий Схемы и конструкции перекрытий В зданиях и сооружениях металлические балки применяют в виде балочных клеток, т.е. перекрытий, состоящих из системы балок и настила (рис. 1). Балочные клетки бывают трех типов — упрощенные, нормальные и усложненные. Упрощенные балочные клетки (рис. 1, а) состоят из балок настила, уложенных с определенным шагом на параллельные стены, расстояние между которыми определяет пролет балок. Балки настила делают из прокатных двутавров, шаг которых обычно 0,6— 1,5 м. Нормальная балочная клетка (рис. 1, б) состоит из главных балок и балок настила. Последние, по которым уложен настил, опираются на главные балки. Главные балки опираются на стальные или железобетонные колонны, их ориентируют в направлении большего шага колонн (продольного или поперечного) и проектируют обычно разрезными. Так как пролеты главных балок довольно значительны (9—12 м и более), их проектируют составными сварными с разделением при необходимости на отправочные элементы. Рис. 1. Схемы балочных клеток и сопряжений балок: а - упрощенного типа; б нормального типа; в - усложненного типа; 1 - настил, 2- балки настила; 3 вспомогательные (второстепенные) балки; 4 - главные балки; 5 – колонны. Прокатные балки рациональны при пролетах 8—9 м, нагрузках до 10—12 кПа. При расстоянии между главными балками более 9 м экономичнее переходить на балочную клетку усложненного типа (рис. 1, в). В этой схеме имеются вспомогательные (второстепенные) балки, являющиеся поддерживающими по отношению к балкам настила, и опирающиеся на главные балки с шагом 1,5—3 м. Вспомогательные балки чаще всего выполняют, как и балки настила, из прокатных двутавров, но большего сечения. Сопряжение балок в клетке может быть этажным, в одном уровне и пониженным (рис. 2). Наиболее просто этажное сопряжение, и его следует применять при достаточной строительной высоте (в некоторых случаях по технологическим условиям эта высота является ограниченной). Сопряжение в одном уровне и понижение — сложнее, но дает возможность при необходимости получить меньшую строительную высоту. Рис. 2. Сопряжение балок а — этажное; б — в одном уровне; в — пониженное. Этажное сопряжение отличается простотой, но вызывает увеличение строительной высоты перекрытия. Сопряжение в одном уровне возможно как при стальном, так и при железобетонном настиле. Пониженное сопряжение в случае нормальной балочной клетки может быть применено только при железобетонном настиле. В случае сложной балочной клетки пониженное сопряжение возможно при железобетонном и при стальном настилах. Балки настила обычно проектируют из прокатных балок пролетом 5—7 м, что и определяет тип балочной клетки. Размер от нижнего пояса главной балки до верха настила называется строительной высотой балочной клетки. В качестве настила балочных клеток применяют стальные листы или сборные железобетонные плиты. Плоский стальной настил Конструктивное решение плоских стальных настилов показано на рис. 1, а. Настил приваривают к балкам или ребрам, его края не могут сближаться друг с другом и под нагрузкой в нем возникают напряжения от изгиба (как в балке) и растяжения (как в мембране, нити). Работа и соответственно расчет настила завися: от отношения его расчетного пролета к толщине l/ (рис. 1,б). При отношении l/<50 растягивающие напряжения незначительны и ими можно пренебречь; настил в этом случае рассчитывают только на изгиб. При отношении l/ >300, наоборот, можно пренебречь напряжениями от изгиба и рассчитывать настил только на растягивающие напряжения от распора H. При отношении 50< l/ <300 должны учитываться напряжения и от изгиба, и от растяжения. При очень больших нагрузках (обшивка глубинных гидротехнических затворов, рабочие площадки с очень тяжелой нагрузкой) применяют жесткие настилы с отношением l/ < 50. Гибкие настилы с отношением l/ >300 в строительных конструкциях применяют редко. Наиболее широко распространены настилы с отношением 50< l/ < 300. Напряжения в настиле зависят также от способа его опирания на балки настила: шарнирного (настил может поворачиваться на опорах, рис. 1, б) и защемленного (свободы поворота нет, рис. 1,в). Настилы с отношением l/ <50 могут быть как с шарнирным, так и с защемленным опиранием, в настилах с отношением 50< l/ <300 защемление трудно осуществить и практически они принимаются, как правило, шарнирно опертыми. Настилы с отношением l/ >300 имеют только шарнирное опирание. При расчете настила необходимо удовлетворять условию его прочности, чтобы наибольшие напряжения в нем не превышали расчетного сопротивления R, а также условию жесткости, чтобы отношение наибольшего прогиба к пролету (относительный прогиб) f/l не превышало допустимого. Обычно отношение f/l принимается в пределах от 1/150 до 1/200 в зависимости от технологических требований. Для тонких настилов f/l часто является определяющей толщину настила. Рис. 1. К расчету настила а — конструктивное решение; 6 и в — расчетные схемы шарнирно опертого и защемленного настилов РАСЧЕТ НАСТИЛА ПРИ ОТНОШЕНИИ l/ <50 (ИЗГИБ) Шарнирное опирание. Рассмотрим изгиб пластинки шириной 1 см как изгиб шарнирно опертой балки. Возьмем нагрузку на 1 см2 пастила q, кН/см2. Нагрузка на 1 см полосы (условной балки) будет тоже q, кН/см. Момент в середине пролета полосы: M ql 2 8 где l — пролет настила, см. Наибольшее напряжение, кН/см2 M ql 2 l 2 3 ql     2 W 8 6 4  где  — толщина настила, см,  (1) Подставив в формулу (1) вместо а значение расчетного сопротивления, кН/см 2, можно выразить необходимую толщину настила в зависимости от расчетной нагрузки и пролета:  l 3 q  4 R (2) Жесткость такого настила проверяют следующим образом. Прогиб шарнирно опертой полосы от равномерно распределенной, нормативной нагрузки: 5 q нl 4 (3)  384 D где D = EI/(1-2)— цилиндрическая жесткость пластинки. Подставив в формулу (3) значение D и учитывая, что для стали Е = 21000 кН/см2, коэффициент Пуассона  = 0,3, а I= 13/12 (для полосы шириной 1 см), можно найти отношение прогиба к пролету f 1 q нl 3 (4)   l 1,5  10 5  3 Из формулы (2) можно получить наименьшую нагрузку, при которой настил из стали 3 будет работать только на изгиб (подставив туда /l = 1/150). Значение этой нагрузки составляет 0,01 — 0,012 кН/см2 (100—120 кН/м2). Защемленный настил. Учитывая, что для защемленной балки ql 2 1 q нl 4 и f  (5) M   12 384 D и проделав тс же выкладки, что и для шарнирного опирания, получим: необходимую толщину настила, см., из условия прочности: 1 q  l  (6) 2 R а также относительный прогиб f 1 q нl 3 (7)   l 7,5  10 5  3 2. РАСЧЕТ ПРИ ОТНОШЕНИИ 50< l/ <300 (ИЗГИБ С РАСТЯЖЕНИЕМ) В этом случае расчет значительно усложняется. Для практических расчетов по определению необходимой толщины настила чаще всего пользуются заранее составленными графиками, по которым в зависимости от нагрузки q, кН/м2 можно найти требуемое отношение пролета настила к его толщине l/. Как уже отмечалось, тонкие настилы рекомендуется рассчитывать как шарнирно опертые. На рис. 2 приведен график для расчета настила с шарнирным опиранием, причем во всех случаях при требуемом относительном прогибе f/l= 1/200 и f/l = 1/150 толщина настила определяется его жесткостью (а не прочностью), поэтому нагрузка по оси ординат должна приниматься нормативная. Для настилов площадок рекомендуется принимать допустимый относительный прогиб f/l =1/200 (в противном случае настил излишне деформативен), для различных ограждающих обшивок f/l =1/150. По конструктивным соображениям наименьшая толщина настила принимается 6 мм. f  Рис. 2 Предельная нагрузка на плоский настил с шарнирным опиранием кромок. Подбор сечения прокатных балок Сечения прокатных балок подбирают на основе данных статического расчета (рис. 1). Рис. 1. Расчетные усилия для разрезных балок Подобранное сечение должно удовлетворять требованиям прочности, общей устойчивости и жесткости. Предварительно номер прокатного профиля определяют исходя из требуемого момента сопротивления балки, обеспечивающего ее прочность при изгибе. Как известно, напряжения при изгибе распределяются в сечении по линейному закону. Напряжения для симметричного сечения определяются формулой M , W где М – изгибающий момент, W – момент сопротивления сечения.   Подставив в формулу проверки напряжений при изгибе (П.4) вместо  значение расчетного сопротивления стали R, можно определить требуемый момент сопротивления балки M Wтр  макс R если в балке может быть допущено развитие пластических деформаций то M Wтр  макс 1.12 R Далее по сортаменту определяют номер профиля, имеющий момент сопротивления больший или равный Wтр, и проверяют прочность, общую устойчивость и жесткость. Проверка прочности. Нормальные напряжения от расчетного изгибающего момента не должны превышать расчетного сопротивления стали M M   макс  R , или   макс  R (1) W 1.12W Эта проверка автоматически удовлетворяется выбором необходимого значения требуемого момента сопротивления. Касательные напряжения от расчетной поперечной силы Qмакс не должны превышать расчетного сопротивления стали срезу Q макс S (2)  Rср J ст Здесь S—статический момент половины сечения балки относительно нейтральной оси; J — момент инерции балки; ст — толщина стенки балки. В прокатных балках, поскольку они имеют относительно толстую стенку, как правило, можно не проверять касательные напряжения. Касательные напряжения могут оказаться решающими в балках малых пролетов, несущих большую нагрузку. Проверка общей устойчивости. Если верхний сжатый пояс балки недостаточно раскреплен от боковых перемещений, то возможно явление потери общей устойчивости балки. Общую устойчивость балки проверяют по формуле M   макс  R (3)  бW Указания по определению коэффициента б будут приведены далее. В случае передачи распределенной статической нагрузки через сплошной жесткий настил, непрерывно опирающийся на сжатый пояс балки и надежно с ним связанный (железобетонные плиты, волнистые или плоские стальные листы и т. д.), проверять общую устойчивость не надо. Если не удовлетворяется проверка общей устойчивости балок, то следует стремиться к развязке верхнего пояса балки какими-либо связями, так как увеличение сечения балки для повышения устойчивости неэкономично, приводит к большому расходу металла. Проверка жесткости. Относительный прогиб балки f/l под нагрузкой не должен превышать нормативного, который зависит от назначения балки (табл. 4, прил. 1). Значение прогиба определяется по правилам строительной механики от нормативных нагрузок (без учета коэффициентов перегрузок). С достаточной для практических расчетов степенью точности относительный прогиб разрезной балки от любых нагрузок может быть определен по формуле: f M нl  f  (4)   l 10 EI  l  где Мн — наибольший нормативный изгибающий момент. Если подобранное сечение балки удовлетворило требованиям прочности, но не удовлетворяет требованиям жесткости, то следует принять больший номер балки по сортаменту (увеличить момент инерции сечения). В этом случае балка будет работать с недонапряжением. Местную устойчивость поясов и стенки в прокатных балках не проверяют, так как их размеры назначены с учетом устойчивой работы при различных напряженных состояниях.  3. Проектирование конструкций сварных балок Проверка прочности Сварные балки, применяемые в качестве главных балок перекрытий, имеют двутавровое сечение, состоящее из трех листов: двух поясов и стенки (рис. 1, а). Рис. 1. Определение напряжений в сечении сварной двутавровой балки: а — поперечное сечение балки; б— эпюра нормальных напряжений в сечении; в — эпюра касательных напряжений в сечении Прочность сварных балок проверяют по формулам (2.3.1), (2.3.2), (2.3.3). Прочность с учетом пластической работы стали, проверяют для разрезных балок с постоянным по длине поперечным сечением и несущих статическую нагрузку при условии обеспечения общей устойчивости. Кроме того, для таких балок необходимо соблюдение следующих требований (см. рис. 1, а): bef tf  0.11 hw bef E ;  0.5 , tw t f Ry (1) где bef— свес полки балки. При использовании формулы (1) для проверки местных напряжений за tf принимается толщина пояса сварной балки. Проверку приведенных напряжений выполняют в характерных сечениях, где возникают неблагоприятные сочетания нормальных, касательных и местных напряжений. К характерным сечениям относятся сечения у опор, в местах изменения сечений, в местах приложения локальных нагрузок и др. Проверки выполняют для зоны стенки у пояса. При наличии местной нагрузки или опорной реакции и отсутствии ребер жесткости в рассматриваемом сечении 2  x2   x loc   loc  3 xy2  1.15R y (2) где x=Mhw/(2J) — нормальные напряжения в стенке на уровне поясных швов (рис. 1, б); касательные напряжения определяют по формуле Журавского xy=QS/(Jtw) для точки на уровне поясных швов; loc=F/(twbf). Если местные напряжения отсутствуют, в формуле (2) loc =0, S – статический момент сдвигаемой части сечения относительно нейтральной оси. Если условие (2) не выполняется, стенку балки под сосредоточенной нагрузкой следует укрепить поперечным ребром жесткости. Проверка общей устойчивости Общую устойчивость составных двутавровых балок, изгибаемых в плоскости стенки, выполняют по формуле M R  bWc  (3) где Wc — в общем случае момент сопротивления для сжатого пояса; b определяется 2 J t  l ef  E   по формуле  b   , lef – расстояние между закреплениями верхнего пояса J y  h  R балки (расчетная длина балки), Jt – момент инерции кручения балки, Jу - момент инерции брутто относительно оси у,  — табличный коэффициент в функции параметра , определяемого по формуле  l ef t f   8  h0 b f     2  0.5h0 t w 3  1  ,   b t f f   (4) где ho — расстояние между осями поясов. Общая устойчивость балки считается обеспеченной и не требует проверки в случаях: а) если верхний пояс балки соединен с жестким настилом, препятствующим боковому выпучиванию пояса; б) если отношение lef/bf не превышает значения, определяемого по формуле  bf  bf  0.35  0.0032   0.76  0.02 b f  t f  tf l ef  bf  E   h  R  0 (5) Проверка местной устойчивости Если сжатый пояс балки имеет недостаточную толщину, то может произойти потеря устойчивости пояса. Подобным образом при недостаточной толщине стенки балки возможно ее выпучивание от действия нормальных и касательных напряжений. Устойчивость пояса балки обеспечивается надлежащим выбором отношения свеса пояса к толщине bef tf  0.5 E R (6) Дополнительная проверка устойчивости не требуется. При малых нормальных напряжениях в сжатом поясе отношение bef/tf можно увеличить в (R/cr)0,5 раз, но не более чем на 25%. Здесь cr =8,7(100 tf/bef)2 — критическое напряжение в поясе балки). Стенка балки представляет собой длинную пластинку, упруго защемленную в поясах. Верхняя часть стенки работает как сжатая пластинка. Нижняя часть стенки, испытывающая растяжение, оказывает удерживающее влияние. При действии касательных напряжений происходят перекос стенки и ее выпучивание. Потеря устойчивости стенки происходит при совместном действии нормальных и касательных напряжений. Устойчивость стенок балок не требуется проверять, если при выполнении условий прочности (2) при отсутствии местных напряжений условная гибкость стенки w  hw tw E  3.2 R (7) Предельное значение  w , использовано в нормах в качестве требования укрепления стенки поперечными ребрами жесткости при отсутствии подвижной нагрузки (  w >3,2). При наличии подвижной нагрузки  w >2,2. Таким образом, если условие (7) не соблюдается, то стенку следует подкреплять поперечными ребрами жесткости. Размеры ребер жесткости должны удовлетворять условиям bh  hw R  40 мм; t h  2b 30 E (8) где hw — высота стенки, MM; bh и th — ширина и толщина ребра жесткости. Чтобы швы, прикрепляющие ребра жесткости к поясам балки, не пересекались с поясными швами, необходимо устройство скосов ребер размером 40x60. Расстояния между поперечными ребрами а должны удовлетворять условиям: при  w ≤3,2 a≤2,5hw; при  w >3,2 a≤2hw. Расчет на устойчивость стенок балок симметричного сечения, укрепленных только поперечными ребрами жесткости, при отсутствии местного напряжения (loc=0) и условной гибкости стенки  w < 6 выполняют по формуле      cr 2 2           c    cr  (8а) где =My/J— сжимающее напряжение у расчетной границы отсека (у=hwl2); =Q/(hwtw) — среднее касательное напряжение в пределах отсека; c – коэффициент условий работы.  cr  ccr R   w2  cr  10.31   0.76  RS   2  ef2 (9) (10) Здесь cr и cr — критические значения нормальных и касательных напряжений, отдельно при действии которых стенка теряет устойчивость; ef  d tw R E (11) где d— меньшая из сторон отсека (hw или а); — отношение большей стороны отсека к меньшей; М и Q— средние значения соответственно момента и поперечной силы в пределах отсека (если длина отсека больше его расчетной высоты а > hw, то М и Q следует определять для наиболее напряженного участка с длиной, равной высоте отсека; если hw>a, М и Q следует определять для середины отсека; если в пределах отсека М и Q меняют знак, то их средние значения следует вычислять на более нагруженном участке отсека с одним знаком; коэффициент сcr определяется по таблице:  0,8 1,0 2,0 Значения коэффициента сcr, 4,0 6,0 10,0 30 сcr 30,0 31,5 33,3 34,6 34,8 35,1 35,5 Расчет на устойчивость стенок балок симметричного сечения с учетом развития пластических деформаций при loc =0 и при ≤0,9Rs, Af/Aw 0,25 и при 2,2<  w ≤ 6 следует выполнять по формуле  Af  2 M  Rhw t w      Aw  (12) где 2   2   0.24  0.15   8.5w  2.2 (13) R  s  определяется так же, как и в формуле (8а). Устойчивость стенки по формуле (8а) проверяют обычно для двух отсеков: у середины пролета балки, где изгибающий момент наибольшей величины, и у опоры, где величина поперечной силы наибольшая. Если условие (8а) не соблюдается, то ребра жесткости необходимо ставить не только в местах опирания вспомогательных балок, но и между ними. При новом расположении ребер проверку устойчивости стенки следует повторить. Ребра жесткости прикрепляют к стенке балки непрерывными сварными швами минимальной толщины. У опор балок независимо от  w , помещают опорные ребра жесткости (рис. 2), низ которых должен быть остроган либо плотно пригнан или приварен к нижнему поясу балки. Рис. 2. Схемы устройства опорного ребра жесткости: а — в торце с применением строжки; б—удаленного от торца с плотной пригонкой или приваркой к нижнему поясу Опорные ребра жесткости совместно с частью стенки воспринимают опорную реакцию балки и должны быть проверены на устойчивость из плоскости как стойка, нагруженная опорной реакцией (рис. 2, в). В расчетное сечение этой стойки следует включать сечение ребра жесткости и полосы стенки шириной 0,65t w E с каждой R стороны ребра. Устойчивость условной стойки проверяют по формуле F R A (14) где F— опорная реакция; A — площадь поперечного сечения условной стойки;  — коэффициент продольного изгиба, определяемого по табл. в зависимости от гибкости условной стойки. Опорная реакция балки вызывает смятие нижнего сечения опорных ребер жесткости, которое должно быть проверено по формуле F  Rp Acм (15) где Rp — расчетное сопротивление стали смятию; Асм — площадь смятия, принимаемая bth в первом случае (рис. 2, а) и 2 bh th — во втором случае (рис. 2, б). В первом случае, если f< 1,5 th., толщину опорных ребер жесткости обычно принимают больше толщины остальных ребер. Подбор поперечного сечения Определение высоты балки, высоты и толщины стенки. Очевидно, что наиболее выгодным профилем балки будет сечение с наименьшей площадью. Высота балки с наименьшей площадью сечения называется оптимальной высотой и может определена по формуле hopt  3 3  wW 2 (16) В этой формуле W - это величина требуемого момента сопротивления; w=hw/tw — гибкость стенки. При использовании формулы (16) требуется знать толщину или гибкость стенки, которые еще не определены, поэтому можно воспользоваться данными табл. 1. Таблица 1. Рекомендуемые толщины стенок балок h, м tw,мм h/tw 1 1,5 2,0 3,0 4,0 5,0 8-10 10-12 12-14 16-18 20-22 22-24 100-125 125-150 145-165 165-185 185-200 210-230 Грубую оценку высоты балки h для назначения tw можно получить, принимая отношения высоты балки к ее пролету h/l равным: 1/10—1/13 — для разрезных, 1/14—1/20 — для неразрезных, 1/5—1/7 — для консольных балок. После определения оптимальной высоты балки необходимо найти минимальную высоту hmin из условия предельного прогиба. Если балка имеет постоянное сечение, то hmin определяют по формуле. hmin 5 R y n0 l q н   24 E q где q – расчетная нагрузка на балку; qн – нормативная нагрузка на балку; Ry – расчетное сопротивление стали по пределу текучести. Если hopt > hmin, то высоту балки принимают равной hopt. В этом случае при полном использовании несущей способности балки ее прогиб будет меньше предельной величины. hopt < hmin, высоту балки принимают равной hmin. Может быть задана также максимально возможная высота балки hmax, называемая строительной высотой. Если hopt не вписывается в габариты этой высоты, необходимо пренебречь повышением металлоемкости и принимать за основу hmax. Общую высоту балки округлять не нужно. Определяющей является высота стенки, которая должна быть увязана со стандартными размерами выпускаемых листов: быть кратной 10 мм для листов шириной до 1050 мм и кратной 100 мм — для листов шириной 1200 мм и выше. Исключение составляет ширина листа 1250 мм. Высоту стенки ориентировочно принимают hw=0,95h. При выбранной величине гибкости стенки ее толщина t w  hw / w (17) В качестве условия прочности на срез в общем случае используют формулу Журавского max=QmaxS/(twJ) < R, откуда t w,min  k Qmax hRs (18) где k=Sh/J, при работе на срез всего двутаврового сечения k=1,2, при работе на срез только стенки k= 1,5. Назначенную толщину стенки с учетом конструктивных ограничений 6 мм ≤tw tw,min следует увязать с типовыми размерами листового металлопроката. Выбор размеров поясов. Толщину поясов принимают tf = 0,02h. Минимально необходимая площадь сечения одного пояса балки, исходя из требования прочности, может быть определена так: Af  W twh ,  h 6 (19) из W = 2J/h  Af  h + twh2/6. Так как Af= bf tf то, задав одну из неизвестных величин, можно определить другую, например b f  Af / t f (20) При назначении размеров пояса следует учитывать конструктивные требования, условия обеспечения общей устойчивости балки и местную устойчивость сжатого пояса. Ширину пояса принимают bf = (1/3-1/5)h, но не менее 180 мм. При bf/h > 1/3 будет существенно проявляться неравномерность распределения напряжений по ширине пояса, при bf/h < 1/5 мала боковая жесткость пояса, при bf < 180мм трудно выполнить узлы опирания на балку вышележащих конструкций. Толщину полки желательно назначать в пределах tw ≤ tf≤ 3tw и tf≤ 40 мм, поскольку в противном случае проявят себя недостатки сварных швов при большой разнице толщин свариваемых элементов и низкое качество толстого металлопроката. Расчет поясных швов Наиболее используемыми являются сварные соединения с двусторонними или односторонними угловыми швами, а при тонкой стенке (до 8 мм) — со стыковыми швами. Соединения стенки с поясами осуществляют непрерывными швами. Швы препятствуют взаимному сдвигу поясов и стенки, вследствие чего в них возникают касательные напряжения, являющиеся функцией воздействия поперечной силы (рис. 3). Сдвигающее пояс усилие на единицу длины T QS J (21) где S = Afy — статический момент пояса балки (т.е. сдвигающейся части сечения) относительно нейтральной оси; J — момент инерции сечения балки. Рис. 3. К расчету соединения поясов со стенкой: а— сдвиг при изгибе; б— действие касательных напряжений, воспринимаемых сварными швами Условие прочности для поясных швов, воспринимающих сдвигающее усилие, QS  n f  z  k f Rwf  z  J (22) где n=1 при одностороннем шве, n=2 — при двустороннем. Таким образом, необходимый катет поясных швов kf  QS n f  z  JR wf  z  Катет шва определяют для участка у опоры балки, где поперечная сила имеет наибольшее значение, и принимают его постоянным по всей длине балки. Если для участка у опоры балки kf 10 мм, то для экономии наплавленного металла рекомендуется принимать катет шва переменным по длине балки и определять его для отдельных участков, где поперечные силы меньше, чем у опоры. Применять односторонние угловые швы допускается при следующих условиях: нагрузка — статическая и приложена симметрично относительно вертикальной оси поперечного сечения балки; общая устойчивость балки обеспечена; loc =0; материал балок работает в упругой стадии; при проверке устойчивости стенки значения левой части формулы (8.п.2.4) не превышают 0,9с при  w <3,8 и с— при  w  3,8. Колонны Колонны представляют собой вертикально расположенные стержневые элементы, по которым нагрузка от вышележащих конструкций передается на фундаменты. В них различают: верхнюю часть — оголовок, на который опираются вышележащие конструкции; стержень — основную часть колонны, передающую нагрузку сверху вниз, и базу (башмак) — нижнюю часть колонны, передающую нагрузку от стержня на фундамент (рис. 1, а). Если колонна работает на восприятие нагрузки от одной продольной силы, приложенной по центру тяжести сечения, то она называется центрально-сжатой. Если продольная сила не совпадает с центром тяжести сечения или к стержню приложены какие-либо поперечные нагрузки, то кроме сжатия возникает изгиб, и колонна называется внецентренно-сжатой. Стержни колонн бывают постоянного, переменного или ступенчатого сечения по высоте. Сечение стержня колонны может быть сплошным или сквозным (решетчатым), состоящим из отдельных ветвей, соединенных раскосами или планками. 4. Центрально-сжатые колонны Сплошные и сквозные колонны со стержнем постоянного сечения наиболее распространены при центральном сжатии. Сплошные колонны применяют при больших нагрузках и небольших высотах, сквозные, наоборот, — при меньших нагрузках и больших высотах. 1. СПЛОШНЫЕ КОЛОННЫ Типы сечений, широко применяемые для сплошных колонн, показаны на рис. 1. Наиболее простая колонна получается из одного прокатного двутавра (рис. 1, б); однако вследствие относительно небольшой боковой жесткости такая колонна рациональна в тех случаях, когда в плоскости меньшей жесткости есть дополнительные раскрепления (продольные связи). Наиболее распространены составные двутавровые сечения (рис. VIII. 1, в), они жестки в обоих направлениях и достаточно просты в изготовлении. По затрате металла наиболее экономичны колонны трубчатого сечения (рис. 1, г), однако из-за недостатка труб они применяются пока мало. Находят применение и колонны других типов (рис. 1, д). Прочность и общая устойчивость сплошной колонны проверяются по формулам: N N R  R и  (1)  мин Fбр Fнт где N— расчетная продольная сила; Fнт и Fбр— площадь сечения стержня нетто и брутто; мин—коэффициент продольного изгиба, взятый по большей из гибкостей ly l (где 1x, 1y и rх, rу — соответственно расчетные длины и радиусы  x  x или  y  ry rx инерции сечения для осей х—х и у—у). Сплошные сварные сечения проверяют только на устойчивость по второй формуле (1). Необходимо также, чтобы наибольшая гибкость колонны не превосходила предельную     , равную для основных колонн 120 и для второстепенных 150. Элементы сечения колонны (полки, свесы, стенка) должны быть скомпонованы так, чтобы у них была обеспечена местная устойчивость. Местная устойчивость полок двутаврового сечения (рис. 2, а), широко распространенного для колонн, зависит от класса стали, гибкости стержня (так как с увеличением гибкости реальные напряжения в элементе уменьшаются) и будет обеспечена, если отношение свеса пояса bр к его толщине п не будет превосходить величин, определенных для каждого класса стали. Рис. 2. Сечение сплошной колонны двутаврового сечения а — обозначение размеров; б — ребра жесткости; в — с неучитываемой расчетом (неустойчивой) стенкой Если стержень колонны имеет недонапряжение, то значения bр/п могут быть R увеличены в раз (R — расчетное сопротивление стали, а=-р----реальное осевое  напряжение), но не более чем на 25%. Местная устойчивость стенки двутаврового сечения также зависит от гибкости стержня и будет обеспечена при условии, если hст  ст  40 21  0.4 R (2) где R — расчетное сопротивление стали, кН/см2. В швеллерных и коробчатых сечениях вследствие меньшей степени защемления стенки это предельное отношение несколько меньше: hст  ст  40 21  0.2 R (3) В обоих случаях это отношение не должно быть более 75. hст Если стержень колонны недонапряжен, то предельное отношение увеличено в R   ст может быть раз, однако и в этом случае оно должно быть не более 90. Если предельное отношение hст  ст не может быть выдержано, то стенку колонны можно укрепить продольными ребрами. В этом случае предельное отношение увеличено в  раз в зависимости от значения   J сечения ребра). Значения  и  приведены в табл. 3 hст ст  1 1,4 1,6  ст может быть (где J — момент инерции ЗНАЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА  1 2 4  hст 6 1,8 2 Продольное ребро вводится в расчетное сечение колонны, рис. 2,б. Введением продольных ребер существенно увеличивается трудоемкость изготовления колонны, поэтому, чтобы их не ставить, неустойчивую часть стенки можно считать выключившейся из работы и в расчетном сечении стержня колонны считать только полки и крайние участки стенки шириной nст с каждой стороны, рис. 2, в. В зависимости от класса стали коэффициент п принимается по табл. ЗНАЧЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА п Класс стали п С 38/23 С 44/29, С 52/40 С 60/45 С 70/60 С 85/75 С 46/33 15 14 13 12,5 12 11 Рассчитывают такие стержни как сплошные, только геометрические характеристики (F, I, W, r и т. д.) определяют для расчетного сечения (заштрихованная часть сечения на рис. 2, в): h 320 При ст  (R, кН/см2) необходимо также ставить поперечные ребра не реже чем  ст R через 3hст и не менее двух на одном отправочном элементе (за исключением стандартных сварных двутавров специализированного производства). Эти ребра связывают сечение в единое целое и увеличивают жесткость стержня против скручивания. Размеры поперечных ребер жесткости принимаются такими же, как и в балках (рис. 2,б): bр  h  40 мм 30 толщина ребра из стали до класса С 46/33— bр/15, для более прочных сталей bр /12. Практически сечения стержней сплошных колонн подбирают следующим образом: 1. Определяют ориентировочно требуемую площадь сечения см2, для чего задаются приближенным значением коэффициента продольного изгиба = 0,70,9; Fтр  N N  R 0.7  0.9R (4) где N — расчетное усилие в колонне, кН; R — расчетное сопротивление металла, из которого проектируется колонна, кН/см2. 2. Определяют ориентировочно высоту сечения колонны h, которая не должна быть менее 1/15—1/20 высоты колонны. Генеральные размеры сечения h и b можно также находить исходя из предельной гибкости. Радиусы инерции сечения приближенно определяют по формулам: rx   x h и ry   y b (5) где х и у – табличные коэффициенты. Подставляя в формулу определения гибкости   l / r значение предельной гибкости и приближенное выражение радиусов инерции, найдем наименьшие габариты сечения, при которых их гибкость не будет больше предельной: h lx x  и b ly y  (6) Обычно колонны проектируют с гибкостью  = 60—80 (меньше предельной), поэтому при определении генеральных размеров сечения по формулам (6) вместо [] подставляют значения 60—80. 3. Имея требуемую площадь и высоту сечения колонны, с учетом сортамента стали, компонуют сечение стержня колонны. В сварном двутавре (рис. 2, а) толщину стенки принимают обычно Ст = 6—14 мм, а толщину поясов п = 8—40 мм (сечение экономичнее, когда больше металла сосредоточено в поясах, поэтому стенка должна быть как можно тоньше). Ширину пояса обычно не делают больше высоты сечения bn≤h. Компонуя сечения поясов и стенки, для обеспечения их местной устойчивости необходимо выдержать соотношения, приведенные в справочных таблицах и в формулах (2) и (3). 4. Вычисляют геометрические характеристики сечения колонны и проверяют ее прочность, устойчивость и гибкость. Если сечение оказалось по каким-либо показателям неудовлетворительным, то его теперь легко подкорректировать. 2. СКВОЗНЫЕ КОЛОННЫ Типы сечений стержней сквозных колонн приведены на рис. 3, где показано также соединение ветвей, которое может быть выполнено при помощи раскосов (решетки) или планок. Соединение ветвей колонны раскосами придает стержню большую жесткость, поэтому такие колонны применяют при значительных нагрузках, а также при возможных незначительных отклонениях продольной силы (неучитываемых расчетом) с оси стержня. Рис. 3. Типы сечений и соединение ветвей сквозных колонн Прочность стержня сквозной колонны, если ее ветви ослаблены какими-либо отверстиями (например, при креплении раскосов или планок заклепками или болтами), проверяют по формуле  N R Fнт (7) где N — расчетная продольная сила; Fнт — площадь нетто ветвей колонны. Стержень колонны должен быть также проверен на устойчивость. Если сечение стержня состоит из двух ветвей (рис. 4, а), то ось, пересекающая ветви, называется материальной, а ось, пересекающая раскосы или планки, — свободной. В сечении, состоящем из четырех ветвей (рис. 4, б), обе оси свободные. Проверка устойчивости стержня относительно материальной оси х—х ничем не отличается от проверки устойчивости сплошного центрально-сжатого стержня и производится по формуле  N R  x Fбр (8) где Fбр — площадь сечения ветвей брутто; х — коэффициент продольного изгиба, взятый для гибкости (где lx и rх—.расчетная длина и радиус инерции сечения относительно материальной оси х—х). Относительно свободной оси у—у ветви колонны не имеют сплошного соединения, а соединены в отдельных местах раскосами или планками, поэтому жесткость колонны в этом направлении понижена. Это учитывается вычислением приведенной гибкости стержня пр, зависящей от конструкции соединения ветвей, и устойчивость стержня колонны относительно свободной оси проверяется по формуле  N R  y Fбр (9) где y—коэффициент продольного изгиба для свободной оси y—y (рис. 4, а) или для обеих осей (рис. 4, б), взятый по приведенной гибкости. Рис. 4. К расчету стержня сквозной колонны а — двухветвовое сечение; б—четырехветвовое сечение Для сечений с одной свободной осью (рис. 4, а) приведенную гибкость определяют по формулам: при соединении ветвей раскосами пр  2y  k1 Fбр (10) F р1 при соединении ветвей планками пр  2y  2в1 (11) Для сечения с двумя свободными осями при соединении ветвей раскосами пр  2y  k1 Fбр Fр1  k2 (рис. 4, б): Fбр Fр 2 (12) при соединении ветвей планками пр  2y  2в1  2в 2 (13) Здесь  y  l y / ry — гибкость стержня колонны относительно свободной оси, вычисленная для расчетной длины всего стержня. где NB=N/2 усилие в одной ветви (для колонны с двумя одинаковыми ветвями); FB — площадь сечения одной ветви; в— коэффициент продольного изгиба ветви, взятый по гибкости Bl для сечения с двумя ветвями или большей из гибкостей Bl и B2 для сечения с четырьмя ветвями. Устойчивость ветви проверяется только относительно оси, параллельной свободной оси сечения колонны; устойчивость ветви относительно материальной оси х—х обеспечивается проверкой устойчивости всего стержня по формуле (9). Для обеспечения необходимой жесткости стержня в сквозных колоннах с планками гибкость ветвей на участке между планками не должна превышать 40. Наибольшая гибкость всего стержня (в том числе и приведенная) не должна быть больше предельной для сжатых колонн. Обычно сечения стержней сквозных колонн подбирают в следующем порядке: 1. Задаются приближенным значением коэффициента продольного изгиба  и определяют ориентировочно требуемую площадь сечения ветвей по формуле (4): 2. Так же, как и для сплошных колонн, исходя из предельной гибкости [] и расчетных длин колонны в обеих плоскостях, можно определить наименьшие генеральные размеры сечения h и b, при которых гибкость стержня не будет больше предельной [формулы (6)]: Коэффициенты х и у для наиболее распространенных сквозных сечений приведены в табл.6. Колонны редко проектируют с предельной гибкостью, поэтому при определении генеральных размеров сечений b и h вместо [] подставляют значение гибкости  = 60— 80. Рациональный разнос ветвей получается, когда гибкость колонны в обоих направлениях примерно одинакова ху (равноустойчивый стержень); для этого размер b не должен быть меньше соотношения b  1.2 l x x h l y y (где lx и ly — расчетные длины стержня колонны). 3. Имея требуемую площадь и габариты сечения с учетом сортамента стали, намечают сечение стержня колонны. 4. Определяют длину ветвей между раскосами или планками. В колоннах с раскосами расстояние между узлами решетки определяют ее видом (углом наклона раскосов) (см. рис. 3); в колоннах с планками гибкость ветви не должна быть более 40, поэтому ее длину находят из соотношения lв≤40rв1 (где rв1 —радиус инерции ветви относительно оси, свободной параллельной оси сечения колонны). 5. Далее определяют геометрические характеристики ветвей колонны и всего сечения и производят проверку прочности стержня (если это необходимо) по формуле (7), устойчивости стержня в обеих плоскостях по формулам (8) и (9), устойчивость ветви по формуле (14) и сравнивают наибольшую гибкость стержня с предельной. При определении приведенной гибкости колонны с раскосами по формулам (10) и (12) необходимо установить площадь сечения этих раскосов. Так как усилия в них незначительны, то их сечение предварительно назначают исходя из предельной гибкости для элементов решетки колонн, равной [] = 150. Требуемый минимальный радиус инерции равнобокого уголка раскоса (относительно оси у0—у0) находят по формуле lр lр ryтр  (lр—длина раскоса) и затем по сортаменту выбирают необходимый уголок. 0  [ ] 150 5. Внецентренно-сжатые колонны Особенность внецентренно-сжатых колонн — воздействие на них одновременно продольной силы и изгибающего момента, вследствие этого их сечения (в отличие от центрально-сжатых колонн) принимают более развитыми в плоскости действия мо мента (увеличивают высоту сечения) и часто несимметричными, так как от действия момента одна сторона сечения догружается, а другая — разгружается. Применяются колонны сплошного сечения и сквозные, постоянного сечения по высоте и переменного. 1. СПЛОШНЫЕ КОЛОННЫ Для колонн с небольшими усилиями, а также в случаях, когда изгибающий момент может действовать как в одну, так и в другую сторону, применяют симметричные сечения (рис. 5а). Рис. 5. Сечения внецентренно-сжатых сплошных колонн а — симметричные; б — несимметричные При больших усилиях с односторонним моментом чаще проектируют несимметричные сечения различного вида (рис.5, б). Прочность внецентренно-сжатых элементов проверяют по формулам 3 3 My Mx M  N 2  N 2   1, 1 и       Wпл, x R Wпл, y R Wпл R  FR   FR  где Wпл – пластический момент сопротивления; M – момент; N – продольная сила; F – площадь; Устойчивость внецентренно-сжатых и сжато-изогнутых стержней в плоскости действия момента, проверяют по формуле  N  R,  Fбр вн (14) где вн - коэффициент понижения напряжений при внецентренном продольном изгибе, принимаемый по табл. в зависимости от условной гибкости стержня х и приведенного эксцентриситета m1. Условная гибкость стержня равна: x  x R lx  E rx R , E (15) где R и Е - расчетное сопротивление стали и модуль ее упругости. Приведенный эксцентриситет m1 определяют по формуле m1  m   M x Fбр  , N Wx (16) где  — коэффициент влияния формы сечения, принимаемый по табл. 4 прил. II, m  e x Fбр / Wx — относительный эксцентриситет; eх = Mx/N— эксцентриситет приложения силы относительно оси x-х; Fбр — площадь сечения стержня брутто; Wx — момент сопротивления брутто (у несимметричных сечений для наиболее сжатого волокна). На устойчивость сжато-изогнутых стержней влияет форма эпюры моментов по длине стержня, поэтому при определении эксцентриситета ех расчетный изгибающий момент Мх принимается равным: а) для колонн постоянного сечения рамных систем — наибольшему моменту в пределах длины колонны; б) для ступенчатых колонн — наибольшему моменту на длине участка постоянного сечения; в) для консолей — моменту в заделке; д) для стержней с шарнирно опертыми концами, имеющих одну плоскость симметрии, совпадающую с плоскостью изгиба,— по табл. В табл. Mмакс — наибольший изгибающий момент в пределах длины стержня; М1 — наибольший изгибающий момент в пределах средней трети длины стержня; М — расчетный момент при т≤3 и   4 ; во всех случаях значение расчетного момента принимается не менее 0,5 Mмакс. Практически подбор сечения внецентренно-сжатых стальных сплошных колонн удобно выполнять следующим образом. 1. Определяют высоту сечения колонны h, которая не должна быть менее 1/101/15 высоты колонны. Так же, как и при определении генеральных размеров сечений сплошных центрально-сжатых колонн, для проверки наименьших размеров сечения можно воспользоваться формулами и коэффициентами x, y из табл. 6, п.3.1. 2. Определяют ориентировочно требуемую площадь сечения. Так как пределы изменения вн весьма большие, то определить площадь из формулы (14) п.3.2, трудно. Поэтому используют приближенную формулу  M N  x R  x Fбр Wx (формула Ф.С. Ясинского), подставляя в нее средние значения х = 0,8 и =0,45 h. Fтр  e  N 1.25  2.2 x . R h Mx — эксцентриситет продольной силы, см. (М, кНсм, и N, кН); N h— высота сечения колонны, см; R — расчетное сопротивление стали, из которой проектируется колонна, кН/см2. 3. Далее с учетом сортамента металла компонуют сечение стержня. Необходимо требуемую площадь Fтp распределить выгодным образом, обеспечивая при этом местную устойчивость элементов сечения. Ширина пояса принимается bп = 1/20—1/30 высоты колонны. Для обеспечения местной устойчивости полок колонны отношение ширины пояса к его толщине в первом приближении можно принять Здесь e x  bп п  30 21 . R Толщину стенки при компоновке сечения определяют из условия, чтобы отношение hст /  ст было в пределах 60—120; меньшие отношения принимаются при больших продольных силах и малых изгибающих моментах, большие— в обратных случаях. Стенку толщиной меньше 8 мм делать не рекомендуется. Окончательно местная устойчивость полок и стенки может быть проверена только после подбора сечения, так как она зависит от фактических напряжений на краях стенки. 4. Вычисляют геометрические характеристики принятого сечения и по формулам N  R проверяют устойчивость стержня в обеих плоскостях. (14) и   c y Fбр где у — коэффициент продольного изгиба при центральном сжатии, ly  ;принимаемый по табл. 1 прил. II в зависимости от гибкости  y  ; c  ry 1  m x коэффициент влияния момента на устойчивость внецентренно-сжатого стержня. Коэффициенты  и  принимают по табл. 6 прил. II. При определении относительного эксцентрицитета тх за расчетный момент Мх принимают: а) для стержней с концами, закрепленными от смещения перпендикулярно плоскости действия момента, — максимальный момент в пределах средней трети длины (но не менее половины наибольшего на длине стержня момента); б) для консолей — момент в заделке. 5. Проверяют местную устойчивость полок и стенки колонны. Если колонна имеет изгибающие моменты в обеих плоскостях (Мх и Му), то ее устойчивость (при Jx>Jy) проверяют по формуле  N  R,  Fбр вн xy (17) где  xyвн   yвн с ;  yвн — коэффициент понижения расчетного сопротивления при внецентренном изгибе относительно оси у—у. 2. СКВОЗНЫЕ КОЛОННЫ Некоторые внецентренно-сжатые сквозные колонны с распространенными типами сечений показаны на рис. 6. Наличие изгибающего момента вызывает существенную поперечную силу, поэтому ветви внецентренно-сжатых колонн соединяют обычно раскосной решеткой. Рис. 6. Сечения внецентрено-сжатых сквозных колонн а — симметричные; б — несимметричные Симметричные сечения стержней колонн применяют при небольших усилиях или в тех случаях, когда изгибающие моменты действуют в обе стороны. При одностороннем моменте ветви колонн нагружаются неодинаково и более рациональны несимметричные сечения. Ширина обеих ветвей часто принимается одинаковой для удобства крепления раскосов решетки. Сквозная колонна работает как ферма с параллельными поясами: расчетные усилия колонны N и М раскладываются по поясам, где возникают только осевые продольные усилия. Решетка колонны воспринимает усилия от поперечной силы фактической или условной (если условная окажется больше фактической). В общем случае несимметричного сечения (рис. 7) продольные усилия в ветвях колонны определяют по формулам: в ветви, догружаемой изгибающим моментом: N В1  N y2 M  h0 h0 (18) в ветви, разгружаемой изгибающим моментом: N В2  N y1 M  h0 h0 (19) Здесь N и М — расчетные продольная сила и изгибающий момент; у1 и у2 — расстояния от центра тяжести сечения колонны до центра тяжести соответствующих ветвей; h0  y1  y 2 — расстояния между центрами тяжести ветвей колонны. Рис. 7. К расчету внецентренно-сжатой сквозной колонны После определения расчетных усилий в ветвях каждая из них проверяется на устойчивость в обеих плоскостях при центральном сжатии аналогично проверке ветвей центрально-сжатых сквозных колонн. Устойчивость ветви 1 (рис. 7): в плоскости колонны  N В1  R, 1 FВ1 (20)  N В1  R,  y FВ1 (21) из плоскости колонны где 1 — коэффициент продольного изгиба при центральном сжатии, взятый по табл. 1 прил. II в зависимости от гибкости ветви на расстоянии между узлами решетки y— В1  l В1 / r1 ; r1 — радиус инерции сечения ветви относительно оси 1—1; коэффициент продольного изгиба ветви относительно оси у—у, определяемый по той же таблице в зависимости от гибкости:  y  l y / ry ; (здесь ly — расчетная длина ветви из плоскости колонны, равная обычно высоте колонны; rу — радиус инерции сечения ветви относительно оси у — у); FB1 —площадь сечения ветви. Точно также проверяется устойчивость другой ветви колонны. Приведенную гибкость вычисляют, как и для центрально-сжатых колонн, по формуле (10) п.3.1. Относительный эксцентриситет для сквозных сечений определяют по формуле mx  ex Fбр Wx  M Fбр  y1 N Ix (22) где Fбр — площадь сечения всего стержня (обеих ветвей); I x  FВ1 y12  FВ 2 y 22 — момент инерции сечения (рис. 7); у1 — расстояние от центра тяжести сечения колонны до центра тяжести сечения наиболее нагруженной ветви. Подбор сечения сквозной внецентренно-сжатой колонны удобно выполнять в следующем порядке. 1. Определяют высоту сечения h, которая из условий жесткости не должна быть менее 1/8—1/14 высоты колонны. 2. По формулам (18) и (19) определяют ориентировочно усилия в ветвях колонны NB1 и NB2. Так как заранее неизвестно положение центра тяжести сечения, то предварительно принимается у1= (0,4—0,6)h и h0=h. Для симметричных сечений усилия в ветвях определяют сразу точно. 3. Далее находят требуемую площадь ветвей по формулам FВ1  N В1 N В2 и FВ 2  0,7  0,9R 0,7  0,9R (23) и компонуют сечения ветвей. Из условия обеспечения общей устойчивости ширину ветви принимают равной 1/20—1/30 высоты колонны, что соответствует гибкости =60— 100. Ветви колонны работают на центральное сжатие, поэтому местную устойчивость элементов сечения (стенки, полок, свесов) обеспечивают так же, как в центрально-сжатых колоннах. 4. Определяют геометрические характеристики обеих ветвей и всего сечения. С учетом действительного положения центра тяжести сечения колонны по формулам (18) и (19) находят точное значение продольных сил в ветвях. 5. Проверяют устойчивость обеих ветвей по формулам (20) и (21). Если подбор сечений ветвей оказался неудачным (перенапряжение или большое недонапряжение), то на основе данных расчета выполняется корректировка сечений ветвей. 6. Подбирают сечения раскосов колонны, находят приведенную гибкость стержня и относительный эксцентриситет по формулам (10) п.3.1 и (22) и проверяют общую устойчивость колонны по формуле (14). 3. КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ УЗЛОВ И ДЕТАЛЕЙ КОЛОНН Оголовки колонн Оголовок колонны служит опорой для вышележащей конструкции (балки, фермы) и распределяет сосредоточенную нагрузку на колонну равномерно по сечению стержня. Вышележащие конструкции опираются на колонну сверху или примыкают сбоку. При опирании сверху широко распространено решение, в котором опорный узел вышележащей конструкции имеет поперечное ребро с выступающим на 15—25 мм фрезерованным торцом, через который передается давление на колонну (рис. 1, а, б, в, г). Реже применяется конструкция узла, где опорное давление передается внутренним ребром, расположенным над полкой колонны (см. рис. 1, д, e). Если поперечное ребро имеет выступающий торец, то опорное давление передается сначала на опорную плиту оголовка колонны, затем на опорное ребро оголовка, с этого ребра — на стенку колонны (или траверсу в сквозной колонне, рис. 1, в, г) и далее равномерно распределяется по сечению стержня. Опорная плита оголовка служит для передачи давления с торцов балки на опорные ребра оголовка, поэтому ее толщина определяется не расчетом, а конструктивными соображениями (неточность совпадения ребра балки и колонны, деформации опорной плиты от сварки и т. д.) и принимается обычно толщиной 16—25 мм. Рис. 1. Оголовки колонн при опирании на них конструкций сверху С опорной плиты давление передается на опорные ребра оголовка через горизонтальные сварные швы, прикрепляющие торцы ребер к плите. Длина этих швов должна быть не менее l ш  A 0.7hш R yсв (24) где А — полное давление на оголовок. В случае установки опорной плиты на фрезерованный торец стержня колонны обеспечивается плотное прилегание плиты к ребру колонны и опорное давление передается непосредственным контактом поверхностей, а сварные швы, прикрепляющие опорную плиту, принимаются конструктивно минимальной толщины по табл. V.5; на чертеже дается указание о фрезеровке торца колонны (рис. 1,б). Площадь опорных ребер оголовка определяется условием их сопротивления смятию опорным давлением Fоп  A Rсм (25) Ширина ребер принимается в соответствии с шириной опирающегося торца 21 фермы или балки. Толщина ребра должна быть не менее 1 / 15 его ширины и часто R принимается равной 14—20 мм. Низ опорных ребер оголовка обрамляется обычно поперечными ребрами, которые препятствуют их скручиванию из плоскости колонны при неравномерном давлении торцов балок, возникающем от неточности изготовления или монтажа. С опорных ребер давление на стенку колонны передается через угловые швы. Исходя из этого находят требуемую длину этих ребер: A 4  0.7hш R yсв lр  (26) Ребро следует также проверить на срез по формуле  A A   Rср Fр 2l р  р (27) где р — толщина опорного ребра. При больших опорных давлениях и тонких стенках колонн может произойти разрушение металла стенки от среза ее по граням крепления ребра. Напряжения среза определяют по аналогичной формуле  A 2l р  ст  Rср (28) где 2 — число срезов; ст — толщина стенки сплошной колонны или толщина траверсы сквозной колонны. При очень больших опорных давлениях из условий среза стенки получается слишком большая длина опорных ребер lр и их невозможно прикрепить расчетным сварным швом (его длина не должна быть более 60 толщин шва), поэтому всю стенку колонны принимают более толстой, а иногда только часть стенки у оголовка (см. рис. 1,б), однако это решение менее технологично. Дальнейшее распределение давления со стенки по всему сечению стержня сплошной колонны обеспечивается сплошными швами, соединяющими полки и стенку. В сквозных колоннах давление (см. рис. 1, в, г) с траверсы передается на ветви колонны через угловые швы, толщина которых должна быть не менее hш  A 4  0.7l р R yсв (29) Оголовок колонны с опорными ребрами балок, расположенными над полками колонны (рис. l. д, e), конструируется и рассчитывается аналогично предыдущему, только роль опорных ребер оголовка выполняют полки колонны. Толщина опорной плиты принимается конструктивно = 16—25 мм. Если давление с плиты передается на колонну через сварные швы (торец колонны нефрезерованный), то толщина сварных швов, прикрепляющих одну полку колонны к плите (рис. 1, д), определяется из условия среза их реакцией одной балки: hш  A 4  0.7bп R yсв (30) где A — опорная реакция одной балки; bп — ширина полки колонны. Если торец колонны фрезеруется, то сварные швы принимаются минимальной толщины. Чтобы обеспечить передачу опорного давления по всей ширине опорного ребра балки при большой ширине поясов балок и узких полках колонн, приходится проектировать уширенную траверсу (см. рис. 1,е). Условно принимается, что опорное давление с плиты передается сначала полностью на траверсу, а затем с траверсы на полку колонны; в соответствии с этим рассчитывают и швы крепления траверсы к плите и колонне. Рис. 2. Оголовок колонны при опирании на нее сбоку. При опирании конструкций на колонну сбоку (рис. 2) вертикальная реакция передается через строганый торец опорного ребра балки на торец опорного столика и с него — на полку колонны. Толщина опорного столика принимается на 5—10 мм больше толщины опорного листа балки. Если опорная реакция балки не превосходит 200 кН, опорный столик делают из толстого уголка со срезанной полкой, при большей величине реакции столик делают из листа со строганым верхним торцом. Каждый из двух швов, прикрепляющих столик к колонне, рассчитывается на 2/3 опорной реакции, чем учитывается возможная непараллельность торцов балки и столика вследствие неточностей при изготовлении и в связи с этим неравномерная передача давления между торцами. Требуемую длину одного шва крепления столика определяют по формуле (см. рис. 2) lш  2 / 3 A 0.7hш R yсв (31) Иногда столик приваривают не только к боковым граням, но и по нижнему торцу; в этом случае общую длину шва определяют по усилию, равному 4/3А/. Опорное ребро балки крепится к полке колонны на болтах грубой или нормальной точности, поставленных в отверстия на 3 мм большие, чем диаметр болтов, так как иначе при небольших отклонениях отверстий при изготовлении балка может зависнуть на болтах и не касаться опорного столика. Базы колонн База (башмак) колонны служит для распределения сосредоточенного давления от стержня колонны равномерно по площади опирания и обеспечивает закрепление нижнего конца колонны в соответствии с принятой расчетной схемой. Базы центрально-сжатых колонн могут быть шарнирные или жесткие. Шарнирные базы имеют наиболее простую конструкцию (рис. 3, а). Особенностью их является крепление анкерными болтами непосредственно за опорную плиту; анкерных болтов, как правило, два (иногда четыре). В сильно нагруженных колоннах для равномерной передачи давления на опорную плиту устанавливают траверсы и ребра. Жесткие базы имеют не менее четырех анкерных болтов, которые крепятся к траверсам (см. рис. 3, б). Благодаря этому после затяжки болтов исключается поворот колонны на опоре. Толщину опорной плиты базы определяют расчетом, однако из конструктивных соображений не принимают менее 20 мм. Диаметр анкерных болтов в центрально-сжатых колоннах также принимают конструктивно: для шарнирных баз d = 20—30 мм, для жестких баз d = 24—36 мм и более (в зависимости от мощности колонны). Для удобства монтажа и возможности некоторой рихтовки при установке анкерные болты заводят в специальные проушины, ширина которых на 10—30 мм больше диаметра болта, или пропускают между траверсами. После этого на болты надеваются шайбы толщиной 20— 30 мм с отверстием, на 3 мм большим, чем диаметр болта, или анкерные плитки толщиной 30—40 мм завертываются гайки, а шайбы (плитки) привариваются монтажной сваркой к плите или траверсам. Опорная плита в легких колоннах обычно приваривается к траверсам и стержню колонны. Для мощных колонн может быть применен безвыверочный метод монтажа. В этом случае торец колонны и поверхность плиты фрезеруются, плита при помощи установочных болтов выверяется на фундаменте в проектное положение, подливается раствором и после этого на плиту устанавливается колонна. Рис. 3. Базы центрально-сжатых колонн: a— шарнирные; б — жесткие Обычно базы колонн устанавливаются на 500—1000 мм ниже отметки пола здания и обетонировываются для защиты от коррозии. Требуемая площадь опорной плиты башмака обусловливается прочностью бетона фундамента: Fпл  N , б Rсм (32) б где N — расчетное усилие в колонне; Rсм —расчетное сопротивление бетона при местном смятии: б б Rсм  Rпр 3 F б Rпр . Fпл (33) б Здесь Rпр — призменная прочность бетона. Для фундаментов обычно применяется бетон марок 100, 150 и реже 200, призменная прочность для которых соответственно равна 0,44, 0,65 и 0,8 кН/см2;  — коэффициент, увеличивающий сопротивление бетона смятию, в зависимости от отношения площади опорной, плиты базы Fnл к площади поверхности фундамента F, на которую опирается плита (рис. 4, а). Величина  не должна превышать 1,5, и, если база рассчитывается до проектирования фундамента, часто принимается = 1,2. Рис. 4. К расчету базы центрально-сжатой колонны Fпл . B Толщину плиты определяют исходя из условия ее работ на изгиб. Нагрузкой на N плиту является равномерное опорное давление фундамента  б  , а ее опорами — Fпл траверсы и ребра базы (рис. 4, б). Вся площадь опорной плиты может быть разделена на различные участки по условиям опирания: 1 — консольные, 2— опертые по трем сторонам и 3 — опертые по четырем сторонам (см. рис. 4,а). Изгибающий момент в плите консольного участка 1 можно определить: После этого находят длину плиты L  M1   бc2 2 (34) Наибольший момент участка плиты, опертого по трем сторонам 2, будет посередине свободной стороны b. Он определяется по формуле M 2   б b 2 , (35) где b—длина свободного края плиты;  — коэффициент, принимаемый по табл. Расчетный момент участка плиты, опертой по четырем сторонам 3, определяется по формуле M 3   б b12 , табл. (36) где b1 — длина короткой стороны участка;  — коэффициент, принимаемый по Погонная нагрузка на траверсу qт   б d т где dт — ширина грузовой площади траверсы (см. рис. 4,в). Изгибающий момент и поперечную силу консоли траверсы определяют по формулам Mт  qт a 2 и Qт  qт a. 2 Теперь может быть проверена прочность траверсы на изгиб и срез:  M т 6M т Q   R и   т  Rср . 2 Wт  т hт  т hт (37) Необходимая высота швов, прикрепляющих траверсу к полкам колонны, определяется по формуле hш  швов. где qтL — полная qт L , 2  0.7hш R yсв нагрузка, (38) приходящаяся на одну траверсу; 2— количество Аналогично проверяется прочность ребер, которые также работают на изгиб и срез (см. рис. 4, д.). Базы внецентренно-сжатых сплошных колонн. Конструктивное решение баз внецентренно-сжатых сквозных колонн имеет много общего с базами центрально-сжатых колонн, так как ветви колонны нагружены центральной продольной силой (рис. 5). Поэтому конструирование и расчет элементов баз внецентренно-сжатых сквозных колонн производится точно так же, как баз центрально-сжатых колонн. При действии большого изгибающего момента и незначительной продольной силы в одной из ветвей колонны может возникнуть растяжение и она будет стремиться оторваться от фундамента. Растянутая ветвь притягивается к фундаменту анкерными болтами, поэтому в данном случае болты являются рабочими и сечение определяется расчетом. Базы внецентренно-сжатых колонн имеют в плоскости действия момента вытянутую форму и большее плечо анкерных болтов (рис. 6 и 7). Конструкции баз колонн желательно проектировать простыми, с минимальным количеством деталей, с доступностью сварки всех швов. Ввиду воздействия изгибающего момента база внецентренно-сжатой колонны оказывает неравномерное давление на бетон фундамента (рис. 7). Рис. 5. База внецентренно-сжатой сквозной колонны. Наибольшее и наименьшее давления на бетон по краям плиты определяют по формулам:  б . макс  N M N 6M ,    Fпл Wпл BL BL2 (39)  б . мин  N 6M ,  BL BL2 (40) где В и L — ширина и длина плиты. При большом значении изгибающего момента второй член формулы (40) может оказаться больше первого, и под плитой должно было бы возникнуть растяжение в бетоне (рис. 40). Так как опорная плита базы лежит свободно на фундаменте и не может тянуть бетон вверх, то для сохранения силового равновесия растягивающие усилия передают на анкерные болты. Расчет базы внецентренно-сжатой сплошной колонны выполняется в той же последовательности, что и центрально-сжатой. Сначала по формуле (33) определяют сопротивление бетона смятию Rсмб с учетом соотношения площадей плиты базы и бетона фундамента. Затем, задавшись шириной опорной плиты В, определяют ее требуемую длину 2  N  N 6M   , (41) L   б б  б 2 BRсм BRсм  2 BRсм  б которая получена из формулы (39) при условии, что  б . макс  Rсм . Рис. 6. База внецентренно-сжатой сплошной колонны. Рис. 7. К расчету базы внецентренно-сжатой сквозной колонны Расчет производится на невыгоднейшую комбинацию сил N и М, дающую наибольшее сжатие бетона у края плиты. Установив окончательно размеры опорной плиты, вычисляют фактические напряжения в бетоне фундамента б по формулам (39) и (40). Так же, как в базах центрально-сжатых колонн, траверсы расчленяют опорную плиту на участки консольные 1, опертые потрем 2 и четырем 3 сторонам (см. рис. 7). Определив по формулам (34), (35) 6M и (36) изгибающие моменты в плите, находят по формуле  пл  ее требуемую R толщину. Так как давление бетона на плиту неравномерно, то при определении моментов в различных ее участках величину се несколько в запас прочности принимают равной наибольшему значению в пределах участка (по масштабу с эпюры давления). Сечения и крепления траверс базы рассчитывают по упрощенной балочной схеме на давления с соответствующих грузовых площадей аналогично, как и для баз центрально-сжатых колонн. Требуемую площадь анкерных болтов определяют исходя из предположения, что растягивающая сила Z, вызванная растянутой зоной эпюры напряжений (см. рис. 7), полностью воспринимается анкерными болтами. Составляя уравнение равновесия относительно центра тяжести сжатой зоны бетона, получим M  Nа  Z у  0 . Отсюда суммарное усилие Z во всех анкерных болтах с одной стороны башмака M  Nа Z , (42) y и требуемая общая площадь их сечения M  Nа Z , (43)  а Rр yR ра где Rнта – расчетное сопротивление анкерных болтов растяжению, принимаемое для болтов из стали класса С 38/23 равным 14 кН/см2; а и у — геометрические размеры, принимаемые по рис. 7. Fнта  Раздел № 2. Соединения металлических конструкций. 1. Типы сварных соединений и швов и их расчет. Сварные соединения могут быть: 1) встык — свариваемые детали приставляются одна к другой встык, и место их соединения проплавляется сварным швом; 2) внахлестку — одна деталь накладывается на другую и приваривается по отдельным граням или по всему контуру соединения; 3) комбинированные — детали свариваются встык и для усиления привариваются накладки внахлестку. Сварные швы в соединениях подразделяются по ряду признаков: 1) по конструкции шва — на стыковые и угловые. Если усилие действует вдоль углового шва, он называется фланговым, если поперек то лобовым; Рис. 1. Положение швов в пространстве 1— вертикальный угловой шов: 2 — горизонтальный стыковой шов; 3— потолочный угловой шов; 4 — нижние угловые швы 2) по назначению — на рабочие (передающие усилия) и конструктивные (связующие); 3) по положению в пространстве при их выполнении — на нижние, вертикальные и потолочные; 4) по протяженности — на сплошные и прерывистые; 5) по числу слоев, накладываемых при сварке, — на однослойные (однопроходные) и многослойные (многопроходные); 6) по месту производства — на заводские и монтажные; 7) по форме шва при сварке с обработанными кромками - на V-образные, Хобразные, К-образные и U-образные. Кромки свариваемых изделий обрабатывают при больших толщинах металла для возможности выполнения монолитного соединения. 1. РАСЧЕТ СТЫКОВЫХ СВАРНЫХ ШВОВ При действии осевой силы напряжение в прямом стыковом шве проверяют по формуле ш  N N   R рсв . Fш l ш (1) Чтобы сделать стыковой шов при меньших расчетных сопротивлениях сварного шва растяжению равнопрочным основному металлу соединяемых элементов, его можно выполнить косым. В этом случае напряжения в шве ш  N N sin    R рсв . Fш lш (2) Практически такие швы часто выполняют с заложением 1:2 (tg=2); в этом случае он становится равнопрочным со стыкуемыми элементами и его не надо рассчитывать. При действии изгибающего момента напряжения в шве ш  M M   R рсв . Wш W (3) где Wm=W — момент сопротивления шва, равный моменту сопротивления соединяемых элементов. При действии одновременно осевой силы и изгибающего момента напряжения в шве будут суммироваться: ш  N M   R рсв . Fш Wш (4) В сварных швах встык, работающих одновременно на изгиб и срез, должны быть проверены приведенные напряжения по формуле  шпр   ш2  3 ш2  1,15R рсв , (5) где ш — нормальное напряжение в шве от изгиба, определяемые по формуле (3); Q —среднее касательное напряжение от срезывающей силы Q, определенное из ш  lш условия равномерного распределения по стыковому шву. 2. РАСЧЕТ УГЛОВЫХ СВАРНЫХ ШВОВ Угловые швы располагают в углах, образованных гранями соединяемых элементов. Высотой шва hш называется размер наименьшего из его катетов (рис. 2, а). Фланговые угловые швы под воздействием продольного усилия работают на срез (рис. 2,б). Поверхность среза располагается примерно по биссектрисе углового шва, имея высоту hш. Расчетная площадь среза швов Fш  hш lш , (6) где hш — расчетная высота углового сварного шва. Коэффициент  зависит от формы шва, глубины провара, способа сварки и принимается: =1 —для однопроходной автоматической сварки; (=0,9 — для двух- и трехпроходной автоматической сварки; =0,85 — для однопроходной полуавтоматической сварки; =0,8 — для двух- и трехпроходной полуавтоматической сварки; =0,7—для многопроходной (более трех) автоматической и полуавтоматической сварки и для ручной сварки; lш — сумма расчетных длин швов в соединении. Напряжения в угловых фланговых швах проверяют по формуле ш  N N   R усв , Fш hш l ш (7) где R усв —расчетное сопротивление углового шва; lш — суммарная расчетная длина швов. Практически при расчете угловых швов на осевую силу удобнее пользоваться формулой, выражающей необходимую длину шва. Она получается непосредственно из формулы (7), где вместо ш подставляют расчетное сопротивление углового шва срезу R усв : lш  N hш R усв , (8) Лобовые угловые швы под воздействием продольного усилия (рис. 2, в) находятся в более сложном напряженном состоянии, чем фланговые. Усилие круто перетекает через шов с одного соединяемого элемента на другой, линии силового потока резко искривляются, и поэтому в шве одновременно возникают напряжения от осевой силы, изгиба и среза. Швы разрушаются также по поверхности, проходящей примерно по биссектрисе шва. Из-за сложности напряженного состояния лобовые швы рассчитывают условно на срез по минимальной площади среза швов, полученные напряжения сравнивают с расчетным сопротивлением углового шва, которое для угловых швов одинаково при всех видах силовых воздействий. Таким образом, расчетная формула проверки напряжений в лобовых угловых швах та же, что и для фланговых швов (7), только напряжение в шве обычно обозначают не ш, а ш. Необходимая длина швов определяется по формуле (8). При действии изгибающего момента на прямоугольный элемент, прикрепленный угловыми швами, напряжения в швах определяют так же, как условные напряжения по поверхности среза, рис. 2, г: ш  M  Wш M 3M   R усв . 2 2 hш lш hш lш 2 6 (9) Здесь lш— расчетная длина одного шва. Если элемент имеет непрямоугольное сечение, го момент сопротивления шва Wш в формуле (9) определяют по очертанию соединяющего шва. При действии сдвигающей силы на элемент, прикрепленный угловыми швами (рис. 2,д), напряжения на поверхности среза считаются распределенными равномерно, и формула проверки напряжений имеет вид ш  Q Q   R усв , Fш hш l ш (10) где lш — суммарная расчетная длина сварных швов в соединении. При совместном действии нескольких усилий в сварном соединении с угловыми швами напряжения в швах от отдельных усилий вычисляют по вышеприведенным формулам, после чего определяют результирующие напряжения. При этом если срезывающие напряжения в одном и том же сечении углового шва имеют одно направление, то их складывают арифметически; если напряжения взаимно перпендикулярны, то определяют равнодействующую этих напряжений. Например, при действии на элемент одновременно изгибающего момента и сдвигающей силы результирующие (равнодействующие) напряжения  шр   ш2   ш2  R усв . (11) Это обстоятельство не надо путать с приведенными напряжениями в стыковых швах [см. формулу (5)]. 3. РАСЧЕТ КОМБИНИРОВАННЫХ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ Если в соединении есть различные виды швов — стыковые, угловые фланговые, угловые лобовые, то оно называется комбинированным. Рис. 3. К расчету комбинированных соединений а—фланговые и лобовые швы; б — угловые и стыковые швы На рис. 3,a показано соединение внахлестку угловыми фланговыми и лобовыми швами. Условно считается, что напряжения в швах такого соединения распределяются равномерно по поверхности среза всех швов и проверяются по формуле (7), где lш — суммарная расчетная длина фланговых и лобовых швов. На рис. 3,б приведено комбинированное соединение полосы встык, усиленное накладками. В данном случае соединение встык ручной сваркой с визуальным способом контроля качества шва не обеспечивает равнопрочности стыкового соединения с прочностью полосы по целому сечению, постановкой же дополнительной накладки можно получить равнопрочность. При расчете такого типа стыков принимается, что напряжения по оси стыка в стыковом шве и накладках одинаковы:  N  R рсв , Fп   Fн (12) где Fп — площадь соединяемой полосы;  Fн —суммарная площадь накладок. Усилие в накладке определяется по ее площади и напряжению: N н  Fн . На это усилие проверяют угловые фланговые швы, прикрепляющие накладку к полосе, по формуле (7). 2. Проверка сварных соединений на выносливость Если сварная конструкция непосредственно воспринимает многократно действующие переменные, знакопеременные, подвижные, вибрационные или другие нагрузки, которые могут привести к усталостному разрушению, необходима проверка на выносливость основного металла и сварного соединения. Расчетные сопротивления сварных соединений при проверке на выносливость уменьшаются умножением на коэффициент , определяемый по формулам: В первом случае, когда наибольшее по абсолютной величине напряжение является растягивающим и во втором, когда такое напряжение является сжимающим.    мин  – коэффициент асимметрии, a, b, c – коэффициенты, зависящие от, макс класса стали, конструкции соединения и от числа циклов нагружения конструкции за время ее эксплуатации – принимают по Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81*. СП 16.13330.2011. Аналогично основному металлу при проверке на выносливость сварных соединений определяют нормативное (без коэффициентов перегрузки и динамичности) напряжение в соединении  шн (или  шн ) и сравнивают его с расчетным сопротивлением сварного соединения, умноженным на коэффициент :  шн    Rсв . РАСЧЕТНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ Расчетные сопротивления сварных швов в стальных конструкциях для различных видов напряженного состояния шва и классов сталей приведены в табл. Расчетные сопротивления сварных швов встык, данные в таблице, соответствуют соединениям, выполненным двусторонней сваркой или односторонней с подваркой корня шва. Для соединений встык, в которых невозможно осуществить подварку корня шва (или выполнить шов на подкладке), расчетные сопротивления снижают умножением на коэффициент 0,7. Современные способы сварки встык при автоматической сварке, а также при полуавтоматической и ручной сварке с применением физических способов контроля качества швов обеспечивают такую же прочность сварных швов, как и прочность основного металла для всех видов напряженного состояния. При полуавтоматической и ручной сварке с визуальными способами контроля качества шва расчетные сопротивления сварных швов растяжению несколько ниже, чем расчетные сопротивления основного металла. К визуальным способам контроля качества швов относят их наружный осмотр и измерение размеров; к физическим способам — рентгено- или гамма-графирование, ультразвуковая дефектоскопия, магнитографические способы и др. Повышенные способы контроля качества швов применяются только для очень ответственных соединений и должны специально оговариваться в проекте. Расчетное сопротивление сварных швов для алюминиевых конструкций приведено в СП 128.13330.2016 Алюминиевые конструкции. Актуализированная редакция СНиП 2.03.06-85. Аналогично расчетному сопротивлению основного металла алюминиевых сплавов значения расчетных сопротивлений сварных соединений и швов действительны при работе конструкции в интервале температур от -40 до +50° С. Если температура металла конструкции будет иная, то все расчетные сопротивления умножают на коэффициент Кт, учитывающий влияние изменения температуры на расчетные сопротивления. КОНСТРУКТИВНЫЕ СОЕДИНЕНИЯМ ТРЕБОВАНИЯ К СВАРНЫМ При конструировании, изготовлении и сборке технологических металлоконструкций необходимо стремиться к тому, чтобы все сварные швы были доступны для сварки в нижнем положении. От этого во многом зависит качество швов. По возможности рекомендуется применять автоматическую или полуавтоматическую сварку, особенно там, где сварные швы имеют большую протяженность. Во всех случаях предпочтение отдают тонким сварным швам. В конструкциях со сварными соединениями следует избегать сосредоточения большого числа сварных швов в одном месте, чтобы не возникало концентраторов напряжений. Разделка кромок металла под сварку назначается с учетом вида сварки (ручная, полуавтоматическая, автоматическая), условий работы сварного шва, его положения в пространстве, толщины свариваемых элементов, технологии процесса наложения швов, а также имеющегося сварочного оборудования. Для сварки стальных конструкций следует применять материалы, соответствующие классу свариваемых сталей, обеспечивающие требуемые свойства сварных соединений и технологию их выполнения: в соответствии со Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81*. СП 16.13330.2011. Необходимо соблюдать требования, предъявляемые к сварным соединениям. Толщина угловых швов hш должна быть не менее 4 мм (за исключением швов в деталях толщиной менее 4 мм) и не менее 1,2 δ (δ – наименьшая толщина свариваемых элементов). В зависимости от толщины свариваемых элементов угловых однопроходных швов необходимо назначать не менее указанных в таблице: После окончания сварочных работ сварные швы очищают, вспомогательные сборочные приспособления удаляют без повреждения основного металла, а места их приварки зачищают до основного металла с удалением всех дефектов. Конструкции должны быть очищены от шлака, брызг и натеков металла. Размеры сварного шва и выявленных дефектов контролируют измерительным инструментом, имеющим точность измерения ±0,1 мм, или специальными шаблонами. Допускается применять лупу для наружного осмотра. При наружном осмотре сварных швов обращается внимание на следующее. Швы должны иметь гладкую или мелькочешуйчатую поверхность (без наплывов, прожогов, сужений и перерывов) и плавный переход к основному металлу. Наплавленный металл должен быть плотным по всей длине шва, не иметь трещин, скоплений и цепочек поверхностных пор (отдельно расположенные поверхностные поры допускаются). Подрезы основного металла допускаются глубиной не более 0,5 мм при толщине стали 4-10 мм и не более 1 мм при толщине стали свыше 10 мм. Все обнаруженные кратеры в сварных швах должны быть заварены. Подготовка кромок под сварку должна производиться так же, как для листов одинаковой толщины. Смещение свариваемых кромок относительно друг друга не должно превышать 0,5 мм для листов толщиной не более 4 мм, 1 мм для листов толщиной 4-10 мм, 1,5-3 мм для листов толщиной не менее 10 мм. Выпуклость (усиление) шва сварного соединения допускается до 1 мм при hш менее 5 мм, до 2 мм при hш 5-10 мм, до 3 мм при hш свыше 10 мм. Вогнутость (ослабление) шва сварного соединения (Δ) (см. рис. 25) допускается не более 3 мм. Отклонения катетов шва сварных соединений от номинальных размеров: ±1 мм при hш<6 мм; от –1 до +2 мм при hш >6мм; (hш – меньший катет вписанного в сечение шва сварного соединения неравнобедренного треугольника и катет вписанного равнобедренного треугольника). 3. Виды и общая характеристика болтовых и заклепочных соединений Общая характеристика болтов Кроме сварки в металлических конструкциях применяют болтовые соединения. Болтовые соединения применяют преимущественно при монтаже металлических конструкций, так как совпадением отверстий соединяемых элементов автоматически контролируется правильность их установки и взаимного расположения; болты дают возможность плотно стянуть соединяемые элементы. Установить болт чрезвычайно просто, для этого не требуется специального оборудования и подвода энергии. Генеральные размеры, характеризующие болт, приведены на рис. 1. Рис. 1. Болт Серийные болты, применяемые в строительстве, имеют диаметр стержня по резьбе d=10—30 мм. Диаметр стержня болта d1 равен диаметру d (или может быть меньше его только на величину допуска). Серийные болты изготовляют с градацией длины 5 мм (l=35—80 мм), 10 мм (l = 80—200 мм) и 20 мм (l = 200—300 мм). Длина нарезанной части болта lо2,5d. Необходимую длину болта в конструкции подбирают из условия, чтобы гладкая часть стержня болта была на 3—5 мм меньше толщины пакета соединяемых болтами элементов. Высота головки болта Н0,6 d, диаметр головки D=1,7 d, размер под ключ S1,5 d. В соединениях металлических конструкций применяют болты грубой и нормальной точности, повышенной точности, высокопрочные и анкерные. Болты грубой точности (ГОСТ 15589—70* или ГОСТ 15591 — 70*), болты нормальной точности (ГОСТ 7796* или 7798—70*) изготовляют из сталей по ГОСТ 1759—70* соответственно классов 4.6 и 5.6, а в соединениях, не воспринимающих расчетных усилий (поставленные конструктивно), — класса 2.9а. Эти болты ставят в отверстия на 3 мм больше, чем диаметр болта, благодаря чему он легко устанавливается даже при небольшом несовпадении центров отверстий. Этим определяется преимущественное применение болтов грубой и нормальной точности в монтажных фиксирующих соединениях. При взаимном сдвиге соединяемых элементов эти болты дают довольно деформативное соединение, так как диаметр отверстий существенно больше диаметра болтов, поэтому их иногда называют черными. Болты повышенной точности (ГОСТ 7805—70*) изготовляют из углеродистой и низколегированной стали по ГОСТ 1759—70 класса 8.8. Диаметр отверстий для этих болтов принимается равным их диаметру (без плюсовых допусков для болта и минусовых допусков для отверстия). Чтобы между отверстиями в пакете соединяемых элементов и болтом повышенной точности не было больших зазоров, отверстия сверлят отдельно в соединяемых элементах сразу на проектный диаметр по специальным кондукторам с впрессованными втулками из высокопрочной стали; кондуктор обеспечивает высокую точность взаиморасположения центров отверстий в соединении. В противном случае сверлятся или продавливаются отверстия меньшего на 3—5 мм диаметра и уже в собранном соединении совместно рассверливаются на проектный диаметр. Болты повышенной точности обеспечивают плотное малодеформативное соединение — их называют чистыми болтами. Применяются болты повышенной точности преимущественно в монтажных рабочих соединениях. Высокопрочные болты поставляются по стандартам на болты нормальной точности, но изготовляются из высокопрочных термически упрочненных сталей: углеродистой стали 35 по ГОСТ 1050-60 или легированных сталей 40Х по ТУ-14-4-87-72, 40ХФА и 38ХС по ГОСТ 4543—71. Высокопрочные болты, как и болты нормальной точности, устанавливают в отверстия диаметром на 3 мм большие, чем их диаметр. Монолитность соединения обеспечивается трением между поверхностями соединяемых элементов, с большой силой стянутых между собой высокопрочными болтами. Чтобы обеспечить надежность соединения, которая зависит от степени сжатия соприкасающихся поверхностей, болты затягивают специальными тарировочными ключами, позволяющими контролировать силу натяжения болтов. Для увеличения сил трения поверхности элементов в месте стыка должны быть очищены от грязи, масла и ржавчины. Высокопрочные болты обеспечивают надежное недеформативное соединение, хорошо работающее при любых видах силовых воздействий, поэтому они применяются в ответственных монтажных соединениях. Анкерные болты применяют для крепления баз (башмаков) колонн и стоек к фундаментам. Их изготовляют из углеродистых и низколегированных сталей марок ВСт3кп2, 09Г2С и 10Г2С1. Расчет болтовых соединений РАСЧЕТ БОЛТОВЫХ (ГРУБОЙ, НОРМАЛЬНОЙ ТОЧНОСТИ) И ЗАКЛЕПОЧНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И ПОВЫШЕННОЙ Внешние усилия в болтовом или заклепочном соединении стремятся сдвинуть соединяемые элементы один относительно другого (рис. 2,а). Поставленные в отверстие болты или заклепки препятствуют этому сдвигу; в них возникают деформации (рис. 2,а). Рис. 2. Работа болта а —деформация стержня; элемента б — срез стержня; в — смятие соединяемого В болтах и заклепках возникает очень сложное напряженное состояние: по плоскости соприкосновения сдвигаемых элементов возникают срезывающие напряжения, от поперечного давления элементов возникают сминающие напряжения, искривление болта или заклепки вызывает изгибающие напряжения и, кроме этого, от первоначального натяжения остаются растягивающие напряжения. Наиболее существенными из этих напряжений, определяющими работу соединения, являются срезывающие и сминающие напряжения. Поэтому условной расчетной схемой болтового или заклепочного соединения при взаимном сдвиге соединяемых элементов принимают схему работы их на срез (2, б) и на смятие соединяемых элементов (рис. 2, в) (смятие болта без его среза быть не может, поэтому на прочность проверяют металл соединяемых элементов). Расчет болтов и заклепок на срез. Срезывающие напряжения в болтах не должны превышать расчетного сопротивления срезу материала болтов Rсрб : Здесь N — расчетное усилие, действующее в соединении; п — число болтов в соединении; nср — число рабочих срезов одного болта; d — наружный диаметр болта в болтовом соединении. Расчет болтового и заклепочного соединения на смятие. Напряжения смятия в соединяемых элементах от болтов не должны превышать расчетного сопротивления материала смятию где d   — расчетная площадь смятия одного болта, условно принимаемая как произведение диаметра болта d на наименьшую суммарную толщину листов, сминаемых в одном направлении; п — число болтов в соединении. Если болты будут поставлены слишком близко к краю элемента или один к другому, может произойти срез («выкалывание») металла элемента соединения (рис. 3). Рис. 3. Выкол болтом или заклепкой металла соединяемых элементов Чтобы этого не произошло, расстояние вдоль усилия от центра отверстия до края элемента не должно быть меньше двух диаметров отверстия, а расстояние между центрами отверстий — меньше трех диаметров. Как уже отмечалось, болты грубой и нормальной точности ставят в отверстия на 3 мм больше, чем диаметр болта. Полное включение их в работу на срез и смятие происходит при значительных деформациях соединения, поэтому там, где необходимо малодеформативное соединение, их применять не следует. Болты повышенной точности хорошо работают на срез и смятие. Расчет болтов и заклепок на растяжение. Проверка заключается в том, что растягивающие напряжения от внешней нагрузки в болтах или заклепках не должны превышать расчетного сопротивления их материала растяжению (рис. 4): Рис. 4. К расчету болтов на растяжение для болтов или необходимое число болтов в соединении где d—внутренний диаметр резьбы болта по нарезке; для заклепок или число заклепок в соединении где d — диаметр отверстия под заклепку. 4. Расчет высокопрочных болтов в монтажных соединениях Передача усилий в соединении на высокопрочных болтах происходит в результате сил трения, возникающих по соприкасающимся плоскостям. Расчетное усилие, которое может быть воспринято каждой поверхностью трения соединяемых элементов, стянутых одним высокопрочным болтом, где Рб —осевое усилие натяжения болта; f — коэффициент трения, зависящий от способа очистки поверхностей, принимаемый по табл.; т — коэффициент условий работы соединения на высокопрочных болтах, учитывающий возможную неравномерность их работы, m=0,9 — для стальных конструкций, m = 0,8 — для конструкций из алюминиевых сплавов. Осевое усилие натяжения болта Рб зависит от механических свойств его материала после термической обработки; при закручивании гайки его доводят до 65% предела прочности материала болта  вб где FHT — площадь сечения болта нетто по внутреннему диаметру резьбы. Таким образом, расчетное усилие, воспринимаемое одной поверхностью трения в соединении на высокопрочных болтах, или необходимое количество высокопрочных болтов в соединении с расчетным усилием N где nтр— число поверхностей трения в соединении. Расчет на срез обеспечивает прочность заклепок и болтов, но не гарантирует безопасность соединения в целом. Если толщина соединяемых элементов недостаточна, то давление, возникающее между заклепками (болтами) и стенками их отверстий, приводит к смятию последних. При 'большом давлении и малом расстоянии между отверстиями или отверстием и краем элемента часть элемента может *выколоться, как схематически показано на рис. 3. Фактическое распределение напряжений смятия по цилиндрической поверхности контакта заклепки (болта) и соединяемого элемента весьма неопределенно, так как оно во многом зависит от неправильностей формы отверстия и заклепочного (болтового) стержня, полученных при изготовлении конструкции. Поэтому расчет на смятие носит также условный характер и ведется в предположении равномерного распределения давления перпендикулярно поверхности контакта: Для выбора диаметра следует руководствоваться данными: Кроме расчета на срез и смятие, необходима проверка прочности соединяемых элементов на осевое усилие в ослабленных отверстиями сечениях по формуле К о н с т р у к т и в н ы е требования. 1. Для удобства изготовления следует применять заклепки и болты одного диаметра в пределах каждого конструктивного элемента и стремиться к наименьшему количеству различных диаметров в пределах «всей конструкции. 2. В рабочих элементах конструкций число заклепок (болтов) расположенных по одну сторону стыка или прикрепляющих элемент в узле, должно быть не менее двух (за исключением элементов стальных сквозных колонн, которые допускается крепить на одной заклепке или одном болте). 3. Для обеспечения надлежащего качества и высокой производительности клепки толщина стального пакета  не должна превышать 5d0. В случае применения заклепок с повышенной головкой и коническим стержнем (при клепке в два молотка или скобой). При большей толщине пакета следует применять болты повышенной точности. В конструкциях из алюминиевых сплавов толщина пакета не должна превышать 46О при заводской холодной клепке на скобе. 4. Центры заклепочных и болтовых отверстий должны располагаться по прямым линиям, параллельным действующему усилию и называемым рисками (рис. 35). Расстояние а между центрами соседних отверстий вдоль риски называется шагом, расстояние с между соседними рисками — дорожкой. Заклепки и болты размещают в рядовом или шахматном порядке, руководствуясь данными табл. Минимальные расстояния, указанные в таблице, определяются прочностью основного металла на выкалывание и растяжение (сжатие), а также рядом производственных факторов (продавливание отверстий на многоштемпельных прессах, рассверливание отверстий по кондукторам, обеспечение удобства клепки, завинчивание гаек и т. д.). Максимальные расстояния назначаются из условия устойчивости более тонкого наружного элемента при сжатии и плотности соединений растянутых элементов в целях устранения коррозионной опасности. В расчетных стыках и узлах для экономии материала накладок, фасонок и других дополнительных конструктивных элементов необходимо стремиться к минимальным расстояниям между заклепками или болтами. В связующих соединениях, наоборот, для уменьшения количества заклепок и болтов расстояния должны быть максимальными. 5. При конструировании заклепочных и болтовых соединений следует стремиться к симметричным стыкам и креплениям. В соединениях внахлестку и посредством односторонних накладок возникает не учитываемый расчетом дополнительный изгибающий момент (см. допущение 1), и поэтому количество заклепок (болтов) должно быть увеличено на 10% сверх расчетного. То же относится к соединениям, где передача осевого усилия осуществляется через прокладки (рис. 36,е). 6. Если выступающие полки уголков или швеллеров из-за недостаточной длины прикрепляют к фасонке с помощью специальных коротышей, то вследствие увеличения пути передачи усилия и большей деформативности соединения общее количество заклепок (болтов) на коротышах должно быть увеличено на 50% сверх расчетного.