Металлические конструкции, включая сварку

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ по дисциплине «МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ, ВКЛЮЧАЯ СВАРКУ» 08.03.01 - «Строительство» Введение Задачи изучения дисциплины для будущего инженера сводятся к следующему: выработать понимание основ работы металлических конструкций зданий и сооружений; овладеть принципами рационального проектирования металлических конструкций с учетом требований изготовления, монтажа и надежности в эксплуатации на основе технико-экономического анализа; сформировать навыки конструирования и расчета для решения конкретных инженерных задач с использованием норм проектирования. Курс «Металлические конструкции» является первой частью общего курса «Строительные конструкции». Он состоит из нескольких разделов, которые содержат все основные вопросы теоретического, прикладного и практического характера. Состав дисциплины: свойства и работа строительных сталей и аллюминиевых сплавов; работа элементов металлических конструкций и основы расчета их надежности; соединение конструкций; основы проектировния, изготовление и монтаж конструкций; балочные конструкции; центральносжатые колонны и стойки; классификация основных видов сварки; типы сварных швов и соединений; напряжение и деформация сварных соединений; строение и свойства сварных соединений; основные сведения по технологии сварочных работ. Полученные знания с помощью данного учебного пособия могут быть использованны будущим инженером в реальном проектировании строительных конструкций. Тема 1. Введение Понятие «Металлические» конструкции» включают в себя их конструктивную форму, технологию изготовления и способы монтажа. Уровень развития металлических конструкций определяется, с одной стороны, потребностями в них народного хозяйства, с другой – возможностями технической базы развития металлургии, металлообработки, строительной науки и техники. Металл применяли давно с ХII века в уникальных по тому времени сооружениях (дворцах, церквах, и т. д.) в виде затяжек и скреп для каменной кладки. Затяжки выковывали из кричного железа и скрепляли через проушины на штырях. Первой такой конструкцией являются затяжки Успенского собора во Владимире (1158 г.). Покровский собор в Москве – первая конструкция, состоящая из стержней, работающих на растяжение, изгиб и сжатие. Там затяжки, поддерживающие пол и потолок, укреплены для облегчения работы на изгиб подкосами. Конструктор уже в то время знал, что для затяжки, работающей на изгиб, надо применить полосу, поставленную на ребро, а подкосы, работающие на сжатие, лучше делать квадратного сечения. С начала XVII века металл применяют в пространственных купольных конструкциях глав церквей. Стержни конструкций выполнены из кованых брусков и соединены на замок и скрепы горной сваркой. Такие конструкции можно видеть в наши дни: трапезная Троице-Сергиевой лавры в Сергиевом Посаде 1696-1698 гг., здание Большого Кремлевского Дворца в Москве (1640г.), каркас купола колокольни Ивана Великого (1603 г.), каркас купола Казанского Собора в Петербурге, пролетом 15 м (1805 г.) и др. С начала XVIII стали осваивать процесс литья чугунных стержней и деталей. Строятся чугунные мосты. Соединения чугунных элементов осуществляются на замках и болтах. Первой чугунной конструкцией в России считается покрытие крыльца Невьянской башни на Урале (1725 г.). В 1784 г. в Петербурге построен первый чугунный мост. Уникальной чугунной конструкцией 40-х г. ХIХ века является купол Исаакиевского собора, собранного из отдельных косяков в виде сплошной оболочки. Чугунная арка, пролетом 30м применена в перекрытии Александринского театра в Петербурге (1827-1832 гг.). В 50-е годы ХIХ века в Петербурге был построен Николаевский мост с восемью арочными пролетами от 33 до 47 м, это самый крупный чугунный мост мира. С 30-х г. ХIХ века до 20-х г. ХХ века – идет быстрый технический прогресс в металлургии и металлообработке, появляются заклепочные соединения, в 40-х г. ХIХ века освоен процесс получения профильного металла и прокатного листа. Сталь почти полностью вытеснила из строительных конструкций чугун. Все стальные конструкции в течение ста последующих лет выполнялись клепанными. Чугунные конструкции во второй половине ХIХ века применялись лишь в колоннах многоэтажных зданий, перекрытиях вокзальных дебаркадеров и т. п., то есть, где сопротивляемость чугуна сжатию лучше стали. До конца ХIХ века в России промышленные и гражданские здания строились в основном с кирпичными стенами и небольшими пролетами, для перекрытия использовались треугольные металлические фермы. Сначала в фермах не было раскосов, они появились в конце рассматриваемого периода. Металлические конструкции применяются во всех областях строительства при возведении зданий и сооружений благодаря своим универсальным качествам - высокой прочности (несущей способности); надежности работы при различных видах напряженного состояния, в тяжелых и агрессивных условиях эксплуатации; эффективностью изготовления и монтажа; относительно малый собственный вес при восприятии значительных нагрузок. Кроме того, металлы обладают высокой плотностью - непроницаемостью для газа и жидкости. К недостаткам стальных конструкций можно отнести сравнительно малую огнестойкость и подверженность коррозии от контакта с влагой, агрессивными средами. При высоких температурах (для стали более 6000С) конструкции теряют свою несущую способность. В зависимости от вида конструкции различают стержневые и сплошные системы стальных конструкций. Стержневые системы состоят из балок, колонн, ферм (каркасы зданий; мосты; арки и фермы, купола, стойки ЛЭП, мачты, башни, эстакады, краны и др. конструкции). Сплошные системы состоят из различных видов листовых конструкций (резервуары, газгольдеры, трубы, бункеры, конструкции металлургических заводов, нефтяных и химических предприятий и т.п.). Тема 2. Материалы для металлических конструкций Материалом для металлических конструкций служит, в основном, сталь. В зависимости от степени ответственности конструкций зданий и сооружений, а также от условий их эксплуатации применяют стали различных марок. При выборе марки стали учитывают климатический район строительства и группу конструкций зданий и сооружений по СНиП II.23-81*. Характеристики некоторых видов сталей приведены ниже. По способу изготовления сталь бывает мартеновской и кислородно-конверторной (их изготовляют кипящими, спокойными и полуспокойными). Кипящую сталь сразу разливают из ковша в изложницы. Она содержит значительное количество растворенных газов. Спокойная сталь - это сталь, выдержанная некоторое время в ковшах вместе с раскислителями (кремний, алюминий), которые, соединяясь с растворенным кислородом, уменьшают его вредное влияние; она имеет лучший состав и более однородную структуру, но дороже кипящей на 10...15%. Полуспокойная сталь занимает промежуточное положение между спокойной и кипящей. Для строительных конструкций применяются следующие марки сталей. Сталь малоуглеродистая обыкновенного качества марки Ст3. Металлургические заводы поставляют малоуглеродистые стали с гарантией: механических свойств (группа А), химического состава (группа Б), механических свойств и химического состава (группа В). Степень раскисления обозначается индексами “кп” - кипящая, “пс” - полуспокойная и “сп” - спокойная, например ВСт3пс. В зависимости от нормируемых показателей (химического состава, механических свойств и ударной вязкости) сталь делят на категории, например ВСт3сп5, а для каждой из категорий установлены, кроме того, группы прочности 1 и 2, например ВСт3сп5-1 и ВСт3сп5-2. Сталь низколегированная марок 09Г2, 09Г2С, 10Г2С1, 1412, 15ХСНД и др. низколегированные стали всегда поставляют по группе В, поэтому обозначение начинается сразу с цифр; первые две цифры указывают на содержание углерода в сотых долях процента; буквами обозначают легирующие элементы (Г - марганец, С - кремний, Х - хром, Н - никель, Д - медь, А - азот, Ф - ванадий); цифра после буквы указывает содержание этого легирующего элемента в процентах, если оно превышает 1%. Например, 15ХСНД - сталь, содержащая 0,15% углерода и легирующие добавки хрома, кремния, никеля, меди, причем содержание каждой добавки не превышает 1%. Основные физические свойства стали: плотность ρ= 7850 кг/м3, модуль продольной упругости Е = 206 ГПа (1 ГПа = 100 МПа), модуль сдвига G = 78 ГПа, коэффициент линейного расширения α = 0,000012 град-1. До напряжений, близких к пределу текучести, зависимость между напряжениями и деформациями определяется законом Гука: =ε•Е. В СНиП II-23-81* даны механические характеристики и указания по применению различных марок сталей для стальных конструкций зданий и сооружений в зависимости от вида конструкций, условий их эксплуатации (группы I...IX) и расчетной отрицательной температуры. Сортамент листовой и профильной стали. Стальные конструкции изготовляют из элементов, получаемых прокаткой (листы и фасонная, профильная сталь). В строительстве применяют следующие виды проката:основные типы прокатных профилей *0 толстолистовой - толщиной 4...160 мм, для изготовления листовых конструкций (резервуаров, газгольдеров и др.), стенок балок, фасонок ферм и др. (ГОСТ 19903-74); *1 тонколистовой - толщиной 0,5...4 мм, для изготовления гнутых профилей, устройства покрытий и т.п. (ГОСТ 19904-74 с изм.); *2 сталь полосовая - толщиной 4...60 мм при ширине до 200 мм, для изготовления ребер жесткости диафрагм (ГОСТ 103-76); *3 широкополосный - для изготовления сварных балок и колонн (ГОСТ 8200-70); *4 уголковые профили - равнополочные и неравнополочные, применяются для изготовления ферм и других решетчатых конструкций (ГОСТ 8509-93; 8510-86); *5 швеллеры и двутавры применяются для изготовления балок и колонн (ГОСТ 8240-93; 8239-89); *6 гнутые профили, получаемые холодным способом из листов толщиной 3...10 мм, предназначенные для изготовления легких конструкций различной формы, эффективность гнутых профилей по сравнению с прокатными - их большая жесткость и легкость (ГОСТ 8282-83*, 25577-83*, ТУ36-2287-80 с изм.); *7 электросварные трубы применяются для изготовления ферм (ГОСТ 10704-91). Тема 3. Работа материалов в конструкциях Основными физико-механическими свойствами стали являются прочность, упругость, пластичность, которые определяются испытаниями на растяжение специально изготовленных образов. По результатам испытаний строят диаграмму испытуемого образца в координатах нагрузка (напряжения) - относительные деформации. (Рис 3.1). Рис. 3.1. Для условий растяжения эта зависимость записывается δ = N/А ε = ()100%, (1.1) где N - нагрузка, А - первоначальная площадь поперечного сечения, l0 - первоначальная длина базовой (рабочей) части образца, Δl - абсолютное удлинение. В соответствии с рис. 3.1 основными прочностными характеристиками стали являются временное сопротивление δu и предел текучести δт=Rу. (рис 3.1 а) Временное сопротивление - это предельная нагрузка, при которой происходит разрушение, отнесенная к первоначальной площадке поперечного сечения испытуемого образца. Предел текучести т - наименьшее напряжение, при котором деформация происходит без заметного увеличения нагрузки, а остаточная деформация достигает 0,2% (остаточное относительное удлинение после разгрузки). В низкоуглеродистых сталях процесс нарастания деформаций идет по существу без изменения внешней нагрузки - металл “течет”. Для сталей повышенной прочности, не имеющих ярко выраженной площадки текучести, вводят понятие условного предела текучести 0,2. Деформативные свойства стали измеряются на образцах различной базы. Показателем пластических свойств стали является относительное остаточное удлинение при растяжении δ5 (%) стандартных плоских образцов с рабочей длиной l = 5,65, и условная ударная вязкость. Упругие свойства стали характеризуются начальным модулем упругости Е = tgα (где α- угол наклона прямолинейного участка диаграммы к оси абсцисс), пределом упругости δс и пределом пропорциональности δр. р - предел пропорциональности, т.е. напряжение, до которого материал работает по закону Гука, имея линейную диаграмму растяжения =Е·ε (1.2) с - предел упругости, выражен напряжением (или нагрузкой), после снятия которого нет остаточных деформаций. Значения физико-механических характеристик сталей даны в ГОСТ и ТУ. Новая классификация строительных сталей приведена в приложении 18 в соответствии с СНиП II – 23 - 81*. Тема 4. Основы расчета металлических конструкций Элементы металлических конструкций являются составной частью зданий и сооружений, которые, в свою очередь, служат различному назначению и работают в различных климатических, погодных и эксплуатационных условиях. Здания и сооружения по степени ответственности делятся на три класса (ГОСТ Р 54257-2010). Класс КС-3. Здания и сооружения, имеющие особо важное хозяйственное или социальное значение АЭС, ТЭС, телевизионные башни, резервуары нефти и нефтепродуктов вместимостью более 10 тыс.м3, крытые спортивные сооружения, театры, кинотеатры, больницы, родильные дома и т.д. Класс КС-2. Здания и сооружения, имеющие ограниченное хозяйственное и общественное значение - объекты промышленного, сельскохозяйственного и жилищно-гражданского назначения, не вошедшие в I и III классы. Класс КС-3. Здания и сооружения, имеющие ограниченное народно-хозяйственное и социальное значение, например, склады для хранения сельхозпродуктов, удобрений, химикатов и т.д., одноэтажные дома, парники, временные здания, ограды и т.п. При расчетах учет класса ответственности зданий и сооружений определяется коэффициентом надежности по назначению n, умноженному на значения нагрузок. Принцип расчета стальных конструкций по предельным состояниям первой группы. Для предельных состояний первой группы общее условие прочности записывается так же, как и для железобетонных конструкций. Вид усилия в рассчитываемом элементе определяется внешней нагрузкой; при растяжении это продольная сила N, при изгибе - изгибающий момент М и т.д. Геометрический фактор S связан с характером распределения напряжений по поперечному сечению элемента; при равномерном распределении (осевое сжатие, осевое растяжение) - это площадь А, при линейном законе распределения (изгиб) - момент сопротивления W и т.п. При проверке общей устойчивости или выносливости расчетное сопротивление дополнительно умножают на понижающий коэффициент, величина которого зависит от характера работы элемента: при центральном сжатии применяется φ (коэффициент продольного изгиба), при внецентренном - φe, при расчете общей устойчивости балки - φb, при расчете элементов с учетом хрупкого разрушения стали - β. Так же, как и для железобетона, для стальных конструкций и их соединений учитывают следующие коэффициенты: γn - коэффициент надежности по назначению (см. гл. 3); γu - коэффициент надежности по материалу для элементов, рассчитываемых на прочность по временному сопротивлению, γu = 1,3; коэффициенты условий работы γс, принимаемые γс = 0,75...1,1 в зависимости от вида конструкции и вида проводимого расчета, например для сплошных балок при расчете на общую устойчивость γс = 0,95 (СНиП II-23-81*). Нормативное сопротивление прокатной стали при растяжении, сжатии и изгибе. В качестве нормативного сопротивления при растяжении, сжатии и изгибе для сталей обычной и повышенной прочности в СНиП II-23 - 81* принят предел текучести Rу и соответствующее нормативное сопротивление - Ryn. В особых случаях (когда допустимо развитие больших пластических деформаций) для этих сталей в качестве нормативного сопротивления используется временное сопротивление (предел прочности) Run. В этом случае расчетное сопротивление обозначают Ru. Величины нормативных сопротивлений устанавливают с обеспеченностью не менее 0,95, т.е. чтобы вероятность проявления в материале участков с пониженными (против нормативного сопротивления) характеристиками была не менее 5%. Значения предела текучести и временного сопротивления по ГОСТу находятся в заданных пределах: 0,95...0,995. Поэтому за нормативное сопротивление и приняты значения предела текучести или временного сопротивления, установленные в ГОСТах на металлы. Такой подход удобен также и потому, что значения δу и δu являются браковочными, т.е. контролируются при производстве и приемке проката. Расчетные сопротивления. Предел текучести стали на металлургических заводах контролируют выборочным путем, поэтому в конструкции может попасть материал с худшими свойствами, чем это установлено ГОСТом, что учитывается при назначении расчетных сопротивлений Rу, Ru. Для прокатной стали они равны нормативным Rуn, Run, деленным на коэффициент надежности по материалу γm; принимают γm = 1,025...1,15. Расчетные сопротивления сдвигу и смятию получают, умножая базовое расчетное сопротивление (при растяжении, сжатии и изгибе) на коэффициент перехода, равный 0,58 для сдвига, для смятия торцовой поверхности (при наличии пригонки) - 1,0, для местного смятия (при плотном касании) - 0,5, причем для сдвига в качестве базового используют расчетное сопротивление Rу, а для смятия - расчетное сопротивление Ru. Значения нормативных и расчетных сопротивлений проката для стальных конструкций приведены в табл. 4.1. Таблица 4.1. Нормативные и расчетные сопротивления проката для стальных конструкций зданий и сооружений Марка стали ГОСТ или ТУ Вид проката Толщина проката (для Фасонного Проката – толщина полки), мм Нормативное сопротивление, МПа Расчетное сопротивление, МПа предел теку-чести у временное сопротивление u по пределу текучести по временному сопротивлению Ru 18кп ГОСТ 23570-79 Лист 4...20 225 365 220 355 18кп ГОСТ 23570-79 // 21...40 215 365 210 355 18кп ГОСТ 23570-79 Фасон 4...20 235 365 230 355 ВСт3кп2-1 ТУ 14-1-3023-80 Лист 4...10 225 355 220 345 ВСт3кп2-1 ТУ 14-1-3023-80 Фасон 4...10 235 365 230 355 09Г2 гр. 1 ТУ 14-1-3023-80 Лист, фасон 4...10 315 450 305 440 09Г2 гр. 2 ТУ 14-1-3023-80 То же 11...20 305 440 300 430 0912 гр. 2 ТУ 14-1-3023-80 // 4...10 345 470 335 460 09Г2 гр. 2 ТУ 14-1-3023-80 // 11...20 335 460 325 450 09Г2С ГОСТ 19282-73 Лист 10...20 325 470 310 450 09Г2С ГОСТ 19281-73 Фасон 4...9 345 490 330 465 09Г2С ГОСТ 19281-73 // 10...20 325 470 310 450 09Г2С ГОСТ 19281-73 // 21...32 305 460 290 440 ВСт3кп ГОСТ 19281-73 Труба 4...15 235 365 225 350 09Г2С ТУ 14-3-500-76 // 8...15 265 470 250 450 16Г2АФ ТУ 14-3-567-76 // 6...9 440 590 400 535 16Г2АФ ТУ 14-3-829-79 // 16...40 350 410 320 375 Принцип расчета стальных конструкций по предельным состояниям второй группы. По предельным состояниям второй группы (по деформациям) расчет ведут по нормативным нагрузкам. Наиболее важен этот вид расчета для изгибаемых элементов. Расчет изгибаемых элементов по деформациям сводится к определению прогибов. Для однопролетной балки при равномерно распределенной нормативной нагрузке qn максимальный прогиб составит f = qn l4/(ЕI), (2.1) где l - пролет балки, Е - модуль упругости, I - момент инерции сечения. В случае однопролетной балки, загруженной в третях пролета сосредоточенными силами Рn, прогиб будет равен f = 23/648Рnl3/(ЕI). (2.2) Предельные допустимые значения относительных прогибов (т.е. прогибов в долях от длины пролета) приведены ниже. По предельным состояниям второй группы, когда они выражены в появлении недопустимых прогибов или колебаний, расчет производят не всегда. При проверке жесткости изгибаемых элементов часто достаточно лишь убедиться, что принятая высота балки больше минимальной. Например, обычно не определяют укорочения колонн и прогибы высоких стропильных ферм. Расчет на колебания производят лишь для тех специальных сооружений, где они особенно опасны (висячие мосты, мачты, башни и др.). Однако проверка жесткости требуется для низких ферм (Н/l = 1/12...1/14), пояса которых выполнены из высокопрочных сталей, работающих при больших деформациях. Необходима проверка по деформациям также и для стальных форм, применяемых для изготовления предварительно напряженного железобетона. Это связано с тем, что повышенная деформативность форм может привести к недопустимым отклонениям фактических размеров изделия от проектных, к чрезмерным потерям напряжений в напрягаемой арматуре. Тема 5. Соединения металлических конструкций Соединения стальных конструкций выполняют на сварке, на болтах или заклепках. Выбор вида соединения зависит от назначения конструкции, т.е. ответственности; вида нагружения (величины и характера), формы соединяемых элементов и их условий работы в конструкции. Наиболее распространенными соединениями являются сварные, так как требует меньше времени и материала. Кроме того, сварка обеспечивает достаточно высокую прочность, высокое качество сварного шва, автоматизацию работ в заводских и полевых условиях. Болтовые соединения применяются в монтажных и рабочих соединениях; они отличаются простотой и надежностью соединения. Используя высокопрочные болты, можно существенно повысить их деформативность, но при этом повышается трудоемкость работ. Заклепочные соединения - наиболее редко применяемые соединения по сравнению со сваркой и болтами. Они трудоемки, дорогостоящи, однако при вибрационных и динамических нагрузках они бывают выгодны и незаменимы (железнодорожные мосты, промышленные предприятия и др.). Сварные соединения При изготовлении сварных конструкций наибольшее применение нашла электродуговая сварка: ручная, автоматическая, полуавтоматическая и электрошлаковая. Применение контактной и газовой сварки ограничено. Ручная сварка выполняется при помощи электродов, тип и марка которых зависит от марки стали свариваемых элементов, рода сварочного тока и пространственного положения шва (ГОСТ 9467-75*). Преимущество ручной электродуговой сварки заключается в ее универсальности. Она может выполняться в нижнем, вертикальном, горизонтальном и потолочном положениях (рис. 5.1), а также в труднодоступных местах. Это обусловило ее широкое распространение на монтаже, где затруднено применение механизированных способов сварки. Однако ручная сварка обладает рядом недостатков - малой глубиной проплавления основного металла, малой производительностью по сравнению с автоматической сваркой под флюсом. Для компенсации этих недостатков применяют тугоплавкие обмазки, которые повышают производительность сварки и увеличивают глубину проплавления шва (сварка с глубоким проплавлением). Основные типы электродов для сваривания стальных конструкций: - с пределом текучести до 500 МПа: Э-42, Э-42А, Э-46, Э-46А, Э-50, Э-50А (А - металл шва имеет повышенные пластические свойства); - с пределом текучести более 500 МПа: Э-60, Э-70, Э-85. Автоматическая сварка выполняется под слоем флюса, который, расплавляясь в процессе нагревания, надежно защищает расплавленный металл от соприкосновения с воздухом; сам металл остывает несколько медленнее, освобождается от пузырьков газа, шлака и различных примесей. Большая сила тока, допустимая при автоматической сварке, и лучшая теплозащита шва обеспечивают глубокое проплавление свариваемых элементов и большую скорость сварки. Этот вид сварки затруднителен для вертикальных и потолочных швов. Рис. 5.1. Положение швов в пространстве: 1 - потолочный угловой шов; 2 - нижний угловой шов; 3 - горизонтальный стыковой шов; 4 - вертикальный угловой шов. Электрошлаковая сварка (разновидность автоматической сварки) удобна для вертикальных стыковых швов металла толщиной от 20 мм и более. Она осуществляется под слоем расплавленного шлака; сварочная ванна защищена с боков медными ползунами, охлаждаемыми проточной водой. Сварка в среде углекислого газа не требует приспособлений для удержания флюса, может выполняться в любом пространственном положении, обеспечивает получение высококачественных сварных соединений, хотя при этой сварке поверхность шва получается менее гладкой, чем при сварке под флюсом; к недостаткам относятся также необходимость защищать рабочих от излучения дуги и от скопления газа. Сварка порошковой проволокой, выполняемая автоматическим способом, марок ПП-АН8 и ПП-АН3 (ГОСТ 26271-84) устраняет недостатки ручной сварки. Порошковая проволока состоит из металлической оболочки толщиной 0,2...0,5 мм, которая заполнена шихтой специального состава. Кроме указанных видов сварки, применяется контактная сварка, осуществляемая путем нагрева и пластического деформирования элементов. Она может быть точечной, шовной и стыковой. Сварные швы. По своей форме сварные швы подразделяются на стыковые и угловые (валиковые). Стыковые швы служат для стыкования элементов, лежащих в одной плоскости. Они весьма эффективны, так как дают наименьшую концентрацию напряжений, хотя и требуют дополнительной разделки кромок. По форме разделки кромок стыковые швы бывают U-образными. Для U- и V-, V- и K-образных швов, завариваемых с одной стороны, обязательна подварка корня шва с другой стороны - для устранения возможных непроваров (рис. 5.2, а, поз. 1), являющихся источником концентрации напряжений. Различные варианты стыковых швов показаны на рис. 5.2, б. Валиковые (угловые) швы навариваются в угол, образованный элементами, расположенными в разных плоскостях. Создаваемый при этом шов имеет форму валика (рис. 5.2, в). Сварные швы по положению в пространстве при их выполнении могут быть вертикальными, горизонтальными и потолочными (см. рис 5.1). Наиболее легко поддается механизации и дает лучшее качество шва сварка нижних швов. Вертикальные, горизонтальные и потолочные швы трудно механизировать, а при выполнении их вручную качество шва относительно невысоко, поэтому применения этих швов следует по возможности избегать. Рис. 5.2. Типы сварных швов и соединений: 1 - непровар; 2 - лобовой шов; 3 - фланговый шов; 4 - подкладки (выводные планки); tmin - минимальная толщина соединяемых элементов Сварные соединения. Существуют следующие виды сварных соединений: стыковые, внахлестку, угловые и тавровые (впритык). В стыковых соединениях элементы соединяются торцами или кромками, т.е. один элемент как бы является продолжением другого (рис.5.2, г). Стыковые соединения дают наименьшую концентрацию напряжений при передаче усилий; они экономичны, могут быть наиболее надежно проконтролированы. Толщина свариваемых элементов в соединениях такого вида практически не ограничена. Стыковые соединения применяются в основном для листового металла и могут быть выполнены прямым или косым швом (соответственно слева и справа на рис. 5.2, г). В соединениях внахлестку поверхности свариваемых листов частично находят друг друга (рис. 5.2, д). Их широко применяют при сварке листовых конструкций из стали небольшой толщины (3...6 мм), в решетчатых и некоторых других видах конструкций. К соединениям внахлестку относятся также соединения с накладками (рис. 5.2, г, е), применяемые для соединения элементов из профильного металла и для усиления стыков. Соединения внахлестку и с накладками отличаются простотой, хотя вызывают резкую концентрацию напряжений, что ограничивает их применение при действии динамических нагрузок или низких температур; кроме того, они более металлоемки, чем стыковые. В сварных соединениях расчетную длину сварного шва lw принимают равной его полной длине l, уменьшенной с учетом возможного непровара по концам: lw = l - 2t, где t - наименьшая толщина соединяемых элементов; в случае вывода концов шва за пределы стыка на временные подкладки 4 (рис. 5.2, ж), которые затем отрезаются, расчетная длина шва lw принимается равной его полной длине. Прочность сварных швов характеризуется их расчетными сопротивлениями (табл. 5.1). Таблица 5.1. Расчетные сопротивления металла для сварных соединений при ручной сварке, МПа Расчетные сопротивления при марке стали Вид Напряженное Расчетные С235 С345 сварного шва состояние Сопротивления Электроды Э4,2, Х42А Э50, Э50А Стыковой Сжатие Растяжение, изгиб Сдвиг Rwy = Ry Rwy = 0,85 Ry Rws = Rs 210 178 122 325 276 190 Угловой Срез: по металлу шва по металлу границы сплавления Rwf Rwz = 0,45 Ryn 180 155 215 207 Стыковые соединения рассчитывают на центральное растяжение (сжатие) из условия N/(lw t) < Rwy·γс , (3.1) где N - расчетная продольная сила; lw - расчетная длина шва; t - расчетная толщина шва, равная наименьшей толщине соединяемых элементов; Rwy - расчетное сопротивление стыкового шва. Если прочность углового шва недостаточна, его делают косым (рис. 5.2, г). Угловые соединения рассчитывают на срез (условный) по двум сечениям: по металлу шва и по металлу границы сплавления, по формулам N/(β·f kf lw) < Rwf·γwf·γc , (3.2) N/(βz kf lw) < Rwz·γc , (3.3) где kf - катет углового шва; lw - расчетная длина шва, принимаемая меньше его полной длины на 10 мм; Rwf - расчетное сопротивление углового шва; γwf, γwz - коэффициенты условий работы, равные единице во всех случаях, кроме конструкций, возводимых в суровых климатических условиях (климатические районы I1, I2, II2 и II3), γwf = 0,85 при металле шва с нормативным сопротивлением Rwun = 410 МПа, а γwf = 0,85 для всех сталей; βf и βz - коэффициенты, зависящие от вида сварки и положения шва (табл. 3.3); γс - коэффициенты условий работы. Толщину стыкового шва принимают равной толщине соединенных элементов “t”. Толщина углового шва kf (катет шва) должна быть не более 1,2 t, где t - наименьшая толщина элемента. Минимальная толщина углового шва при толщине t более толстого из свариваемых элементов должна быть не менее следующих величин: kf = 4, 5, 6, 7, 8, 9 мм; t = 4-5, 6-11, 11-16, 17-22, 23-32, 33-40 мм. Таблица 5.2. Коэффициенты для расчета угловых швов Вид сварки при диаметре Положение Коэф- фици- Значения коэффициентов при катетах швов, мм сварочной проволоки, мм Шва ент 3...8 9...12 14..16 18 и более Автоматическая В лодочку βf 1,1 0,7 при d = 3...5 βz 1,15 1,0 Нижнее βf 1,1 0,9 βz 1,15 1,05 Автоматическая В лодочку βf 0,9 0,8 0,7 и полуавтомати- βz 1,05 1,0 ческая при Нижнее βf 0,9 0,8 0,7 d = 1,4...2 βz 1,05 1,0 Ручная; полуавтоматическая прово- В лодочку βf 0,7 локой сплошного сечения при d < 1,4 или порошковой проволокой Нижнее, горизонтальное, вертикальное, потолочное βz 1,0 П р и м е ч а н и е. Значения коэффициентов соответствуют нормальным режимам сварки. Расчет сварных соединений с угловыми швами на действие изгибающего момента М в плоскости, перпендикулярной плоскости расположения швов, производят по двум сечениям: по металлу шва М/Wf < , (3.4) по металлу границы сплавления М/Wz <, (3.5) где Wf = (βf kf lw2)/6 - момент сопротивления расчетного сечения металла шва; Wz = (βz kf lw2)/6 - момент сопротивления расчетного сечения по металлу границы сплавления. Расчет сварных соединений с угловыми швами на одновременное действие поперечной силы Q и момента М производят по формулам: 3,2 стенка должна быть укреплена от потери устойчивости поперечными ребрами жесткости, расположенными на расстоянии 2hw друг от друга, а также в местах передачи сосредоточенной нагрузки. При отсутствии подвижной нагрузки и отношения меньшим 3,2 ребра жесткости можно не ставить. Подбор сечения поясов может быть проведен следующим образом. Для одного пояса площадь равна Аf = , (4.9) где I = - требуемый момент инерции балки Аf = bf tf . Ширину пояса принимают bf = (1,3...1,5)h, но не менее 180 мм, и находят толщину пояса tf = Af/bf . При bf/h > 1/3 проявляется неравномерность распределения напряжений по ширине пояса; при bf/h > 1/5 уменьшается боковая жесткость пояса; при bf < 180 мм трудно выполнить сопряжение и узлы опирания от вышележащей конструкции. В табл. 4.2 приведены практические соотношения hw и tw для наивыгоднейшего распределения площади сечения симметричной двутавровой балки при hw/tw=100 – 150. Чем тоньше стенка, тем экономичнее балка. Это объясняется тем, что изгибающий момент на 85% воспринимается работой полок и лишь на 15% - стенкой. Поперечная же сила, возникающая в балке, почти полностью воспринимается работой стенки. Соединение стенки с поясом осуществляется с помощью двухстороннего сплошного шва, толщину которого kf определяют из двух величин (наибольшую) kf f= T/(2βf Rwfγwsγс) и kfz = T/(2βz Rwzγwzγс), (4.10) где T = QSf/I -сдвигающее усилие на единицу длины шва. Толщину шва, как правило, принимают не менее половины толщины стенки и не менее 6 мм. Опорные ребра балок проверяют на центральное сжатие от действия опорной реакции балки N/YA < Rуγс . (4.11) Поперечное сечение условной стойки в этом случае принимают состоящим из сечения опорных ребер жесткости и части стенки балки длиной не более 0,65 tw √Е/Rу с каждой стороны опорного ребра. Устойчивость стальных балок. Важным фактором при эксплуатации металлических конструкций служит устойчивость под нагрузками иногда гораздо меньшими, чем при их расчете на прочность по разрушению металла. Различают два типа потери устойчивости: общую и местную. Общая потеря устойчивости наблюдается в том случае, когда при нагрузке, превышающей критическую для данного элемента, происходит потеря первоночальной формы конструкции. Местная потеря устойчивости – такое явление, когда при сохраненит первоночальной формы всего элемента отдельные сжатые элементы теряют свою форму. Местная потеря устойчивости, как правило предшествует общей потере устойчивости. Металические балки состоят из двух элементов – полки (или свесы) двутавра и стенки – пластина по краям защимленная в полках. При достижении нагрузкой своего критического значения металлические балки могут терять свою общую устойчивость, т.е. когда сжатый пояс балки выпучивается в сторону пролета и плоская форма изгиба нарушается. Это приводит к повороту пролетных сечений балок. Балка изгибается не только в плоскости действия внешних сил (плоскость наибольшей жесткости) но и в другой – плоскости наименьшей жесткости. Происходит скручивание балки и как следствие снижение несущей способности на изгиб. Общая устойчивость балок проверяется по формуле (4.12) где φb – коэффициент снижения напряжений равный отношению критического напряжения к пределу текучести материала. WC – момент сопротивления для сжатого пояса. Для балок двутаврого профиля коэффициент φb определяется через коэффициент φ1 по формуле: (4.13) ψ – коэффициент, принимаемый по табл. (см. СНИП табл. 77 и 78) является функцией характера нагрузки и места ее приложения, геометрических размеров балки, прочностных и деформативных свойств стали, а также параметра, α, который зависит от свободной длины верхнего пояса балки, наличия его промежуточного закрепления и жесткостей на кручение GIt и секториальной EIw. Для прокатных двутавров: (4.14) а для составных двутавровых сечений при It = где bf и t1 – ширина и толщина пояса балки h – расстояние между осями пакета поясных листов a = 0,5.h; t – сумма толщин стенки и вертикальных поясных уголков. Тема 7. Центральные сжатые колонны Типы колонн. Стержневые конструкции, воспринимающие продольную (вертикальную) силу и предающие ее на фундамент или нижележащие конструкции. Колонна состоит из трех частей: базы (башмака), стержня и оголовка. Металлические колонны как правило выполняют из стали. Алюминневые сплавы в сжатых конструкциях работают плохо (большая деформативность при относительно малом модуле упругости Е). Колонны из чугунных труб в настоящее время не употребляются. В качестве соединений элементов в основном применяют сварку и болтовые соединения. Стальные колонны классифицируют по следующим признакам: По приложению нагрузки – центрально и внецентренно сжатые. По конструктивной форме силуэта – постоянного сечения, переменного сечения, ступенчатыми. По типу сечения – сплошные и сквозные. Сквозные колонны по типу соединительной решетки – безраскосная решетка, решетчатые, перфорированные. Как правило колонны являются элементом несущего каркаса промышленного здания, образуя вмаесте с элемнтами покрытия (напр. стропильной фермой) поперечную раму. Последняя воспринимает постоянные и временные нагрузки от кровли, снега, кранов, ветра, собственного веса. Поперечная рама обеспечивает жесткость каркаса здания в поперечном направлении. В продольном направлении жесткость каркаса и его неизменяемость обеспечивается устройством связей между колоннами, состоящих из распорок и решетчатых систем, элементы которых состоят из двух уголков в форме таврового сечения. Остальные колонны соединяются при помощи скрещивающихся распорок и подкрановых балок. Связи колонн воспринимают ветровую нагрузку и усилия от продольного торможения кранов. При расчете конструкции каркаса полагают, что в поперечном направлении колонна абсалютно защемлена в фундаментах, а в продольном имеют шарнирное опирание. При большей протяженности зданий для снятия температурных напряжений устраивают поперечные и продольные температурные швы. Поперечные температурные швы образуются сдвоенными колоннами; продольные – специальными гибкими (деформируемыми) подвесками у опор ферм. Предельные значения длины температурных отсеков между деформационными швами приведены в таблице. Для колонн, работающих в агрессивной среде, решетка в нижней части заменяется сплошной стенкой из листа, укрепленного ребрами жесткости. Случай центрально сжатых колонн может иметь место в одноэтажных и многоэтажных промышленных и гражданских зданиях, когда горизонтальные усилия воспринимаются системой вертикальных связей. Сечения колонн могут быть: сплошными из прокатных двутавров или труб и различных комбинаций открытых профилей; сквозными, состоящие из двух или четырех ветвей, соединенных между собой планками или решеткой из уголков или швеллеров. Планки ставят при расстоянии между осями ветвей не более 500 – 600 мм. При больших расстояниях целесообразно применять решетку из уголков. Расчет центрально – сжатых сплошных колонн на прочность и устойчивость в соответствии со СНИП II 23 81* следует выполнять по формулам (2.3) и (2.4) Как правило, подбор сечения ведут методом приближений, а расчет начинают с определения расчетной продольной нагрузки с грузовой площади колонны. (5.1.) где Ftot – суммарная интенсивность всех постоянных и временных нагрузок, приведенная к 1 м2 площади; А3 – грузовая площадь колонны. Требуемая площадь колонны определяется из условия обеспечения устойчивости центрально – сжатого стержня (5.2) Предварительно коэффициент продольного изгиба φ принимают для стальных колонн в пределах 60 – 80. По найденному значению Acat стержень сплошной колонны из прокатных профилей определяют путем подбора профиля по сортаменту. Для составных двутавровых стержней, сечение которых изготовлено из трех стальных листов, при назначении размеров сечения руководствуются следующими требованиями: для поясов применяют листы толщиной tf=10-40 мм, для стенки – tw=6-16 мм, высоту и ширину сечения колонны назначают в зависимости от допустимой гибкости в пределах (1/14-1/29) Н. Эти значения приблеженных размеров колонн можно принимать по табл. 7.1 Таблица 7.1. Приближенные значения размеров колонн Наименование сечения Размеры колонн при гибкости (мм) λ=60 λ=90 λ=120 Сварной широкополочный двутавр Трубчатое сечение Замкнутое из 2-х уголков Сквозное из 2-х швеллеров Сквозное из 4-х уголков В соответствии со СНИП II 23 81* гибкость сжатых элементов рекомендуется принимать в пределах 60 – 90, но не более 120. После назначения сечения определяют его фактические геометрические характеристики: A, ix, iy, λx, λy, φx, φy. Сечение считается подобранным удовлитворительно, если недонапряжение, не превышает 5% для сварных и комбинированных профилей или его невозможно уменьшить в пределах сортамента пркатных профилей. Для расчета радиусов инерции центрально – сжатых стержней колонн может быть использована табл. 7.2. Моменты инерции сварного двутаврового сечения относительно главных осей определяют по формулам: (5.3) (5.4) Для центрально сжатых колонн должно выполняться условие предельного отношения расчетной высоты стенки hef к ее толщине в зависимости от значения условной гибкости . Например, для двутаврового сечения это условие запишется: (5.5) (5.6) В таблице 27 СНИП II 23 81* даны формулы для определения значения hef при других типах сечения. Таблица 7.2. Приближенные значения радиусов инерции сечения. Таблица 7.3. Коэффициенты условий работы с элементов стальных конструкций Колонны предназначены для передачи нагрузки от балочных клеток, ферм покрытий, рабочих площадок и других конструкций на нижележащие или на фундаменты. В центрально – сжатых колоннах равнодействуящая сила приложена по оси колонны и вызывает центральное сжатие расчетного поперечного сечения. Центрально – сжатые колонны, так же как и внецентренно сжатые, состоят из трех основных частей, выполняющих определенную функцию: оголовка, стержня и базы (башмака). Случай центрально – сжатых колонн имеет место в одноэтажных и многоэтажных гражданских и промышленных зданиях, когда горизонтальные усилия воспринимаются системой вертикальных связей. По типу сечений различают сплошные колонны, состоящие из прокатных двутавров или труб или различных комбинаций открытых профилей, сквозные, сотоящие из 2 – х или 4 – х ветвей, соедененных между собой планками или решетками из уголков или швеллеров. Соединение ветвей с помощью планок применяют, если расстояние между осями ветвей не привышает 500…600 мм. При больших расстояниях планки получаются тяжелыми, поэтому целесообразно применять решетку из одиночных уголков. Элемент работает на центральное растяжение или сжатие в том случае, если ось действия усилия (N) проходит через центртяжести поперечного сечения. Центрально растянутые элементы. Центрально растянутые элементы рассчитывают на прочность по формуле N/Аn < Rу γс , (2.3) где N - расчетное усилие; Аn - площадь сечения нетто, т.е. за вычетом ослаблений; Rу - расчетное сопротивление; γс - коэффициент условий работы (см. СНиП II-23 - 81*). В некоторых случаях можно допустить развитие больших платсических деформаций в ослабленном сечении. Элементы в этом случае можно рассчитывать не по пределу текучести, а по временному сопротивлению (пределу прочности), но с учетом повышенного коэффициента надежности γu = 1,3: N/Аn < Ruγс/γu. (2.4) Центрально сжатые элементы. Расчет центрально сжатых элементов ведут по первой группе предельных состояний. При этом расчет ведется по прочности - для коротких стержней, длина которых превышает наименьший поперечный размер не более чем в 5...6 раз; по устойчивости - для длинных гибких стержней. При работе на сжатие короткие стальные стержни ведут себя так же, как и растянутые элементы. Поэтому сжатые короткие стержни рассчитывают на прочность по формуле растянутых стержней, а именно N/Аn ≤ Rуγс. Центрально сжатые длинные гибкие стержни при достижении силой критического значения Ncr изгибаются в плоскости меньшей Рис. 7.1. Расчетная длина центрально сжатых колонн жесткости, приобретая новую криволинейную форму. При дальнейшем незначительном увеличении нагрузки искривления стержня начинают быстро нарастать, и стержень теряет свою несущую способность. Для этого случая расчетные сопротивления приводятся к расчетным значениям критических напряжений потери устойчивости стержней, сжатых осевой силой. Значения коэффициентов продольного изгиба φ = Ncr/(RуА) в зависимости от гибкости приведены в табл.7.4. Устойчивость стержней, сжатых осевой силой, проверяют по формуле N/(φ·А) < Rуγс , (2.5) где А - площадь сечения брутто, т.е. без учета ослаблений (в отличие от формулы (2.3), где учитывается Аn, т.е. площадь сечения нетто). Таблица 7.4. Изменение коэффициентов продольного изгиба центрально сжатых элементов в зависимости от γ и Rу (увеличены в 1000 раз) Гибкость Расчетное сопротивление Rу, МПа 200 240 280 320 360 400 440 480 520 560 600 640 10 998 987 985 984 983 982 981 980 979 978 977 977 20 967 962 959 955 952 949 946 943 941 938 936 934 30 939 931 924 917 911 905 900 895 891 887 883 879 40 906 894 883 873 863 854 846 849 832 825 820 814 50 869 852 836 822 809 796 785 775 764 746 729 712 60 827 805 785 766 749 721 696 672 650 628 608 588 70 782 754 724 687 654 623 595 568 542 518 494 470 80 734 686 641 602 566 532 501 471 442 414 386 359 90 665 612 565 522 483 447 413 380 349 326 305 287 100 599 542 493 448 408 369 335 309 286 267 250 235 110 537 478 427 381 338 306 280 258 239 223 209 197 120 479 419 366 321 287 260 237 219 203 190 178 167 130 425 364 313 276 247 223 204 189 175 163 153 145 140 376 315 272 240 215 195 178 164 153 143 134 126 150 328 276 239 211 189 171 157 145 134 126 118 111 160 290 244 212 187 165 152 139 129 120 112 105 099 170 259 218 189 167 150 136 125 115 107 100 094 089 180 233 196 170 150 135 123 112 104 097 091 085 081 200 191 161 140 124 111 101 093 086 080 075 071 067 220 160 135 118 104 094 086 077 073 068 064 060 057 Важной характеристикой при расчете на устойчивость является гибкость стержня λ - отношение его расчетной длины l0 (рис. 2.1) к радиусу инерции сечения i, который является функцией момента инерции I и площади сечения брутто А: λх = l0х /iх ; λу = l0у /iу ; (2.6) ix = Ix /А ; iy = Iy /A (2.7) Сжатые стержни рационально проектировать равноустойчивыми относительно своих главных осей (λх = λу). Тема 8. Фермы Фермой называется геометрически неизменяемая решетчатая конструкция, работающая на изгиб, элементы которой шарнирно соединены в узлах и работают на осевое растяжение или сжатие при узловом нагружении. Допущение об идеальной шарнирности узлов противоречит действительной конструкции фермы, но довольно точно отражают фактическую работу ее элементов. Фермы по сравнению с балками более экономичны по затрате металла. Область применения ферм весьма обширна. Они используются в покрытиях зданий и сооружений для поддержания кровли (стропильные фермы), радио- и телебашнях, опорах линий электропередач, конструкциях пролетных строений мостов, подъемных кранов и т.д. Фермы состоят из верхнего и нижнего поясов, соединенных между собой решеткой из раскосов и стоек. Расстояние между узлами решетки фермы называется панелью; расстояние между ее опорами – пролетом. Фасонка – деталь фермы, выполненная из листа для соединения стержней фермы в узле. Разнообразие областей применения и конструктивных решений ферм позволяет классифицировать их по различным признакам: • по назначению – фермы мостов, покрытий (стропильные и подстропильные), транспортных эстакад, грузоподъемных кранов, гидротехнических затворов и других сооружений; • по очертанию – трапецеидальные, с параллельными поясами, треугольного очертания, полигональные; • по виду решетки – с треугольной решеткой, с раскосной решеткой; • по виду статической схемы – фермы разрезные, неразрезные, консольные; • по значению наибольших усилий в элементах фермы: легкие – пролетом l до 50 м и с усилием в поясах Nmax ≤ 5000 кН, тяжелые – с усилием в поясах Nmax > 5000 кН; • по конструктивному решению – обычные, комбинированные и с предварительным напряжением. Область применения ферм: - трапециевидные – малоуклонные кровли; - треугольные – большие уклоны: - параллельные пояса – плоские перекрытия; - полигональные – большепролетные конструкции: Общий вид стропильных ферм, отличающихся по очертанию поясов: 1.Трапециевидная 2.Ферма с параллельными поясами 3.Треугольная 4.Полигональная По типу решетки фермы разделяются: 1.Треугольный тип (раскосная) – оптимальный угол наклона раскоса 45 ± 50; 2. Треугольный со стойками – чтобы поставить ребристую плиту на большепролетную ферму (восходящий раскос); 3. Треугольный со стойками (нисходящий раскос); 4.Ромбическая 5.Полуромбическая 6.Крестовая 7.Шпренгельная Ромбическая, полуромбическая – хорошо работают на усилие Q – интенсивно загруженная ферма небольшого пролета). Крестовая – одинаково работают на знакопеременную нагрузку (связи); самый жесткий тип. Восходящий и нисходящий опорный раскос (раскос, воспринимающий опорную реакцию). Восходящий – преимущественно на сжатие, нисходящий – растяжение. Принципы проектирования ферм - Сталь. Выбирается по НДС фермы и климатическому району. - Рекомендуемая нагрузка – узловая. - Шаг ферм: от конструкции кровли Плиты – 6; 12 м. Прогоны: 3; 4; 5; 6; 9; 12 м. Все элементы условно делят на 5 групп: центрально сжатые/растянутые; внецентренно сжатые/растянутые, нулевые. Центрально сжатые/растянутые – см. практику. Внецентренно сжатые/растянутые: Превалирует N – как центрально сжатый/растянутый. Превалирует М – как изгибаемого элемента. Конструирование ферм 1.Количество типоразмеров уголков не более 5-6. 2.Количество типоразмеров «сухариков» не более 3. 3.Не встречались уголки с толщиной пера в один шаг сортамента (во избежание путаницы). Расчет фасонки Приближение швов: а = 6t – 20, где t – толщина фасонки. Сварочные напряжения не учитываются. Усилие распределяется: 0.7 на обушок, 0.3 – на перо. Мин катет шва = 3мм, максимальный катет – 9 мм. Фасонка: симметричная, простая в изготовлении. Минимальный расход стали. Швы накладываются по всей длине нахлеста. Работа ферм в составе рамы: Приопорный момент разгружает пояса. Раскладывается на пару сил. Разгружает пояса, но догружает опорный раскос. Ниже рассмотрен наиболее часто встречающийся тип стропильной фермы трапецеидального очертания. Стропильная ферма трапецеидального очертания является наиболее оптимальной. Размеры фермы (пролет, высота на опоре, высота в середине пролета) приняты в разделе «Компоновка каркаса здания», решетка принята треугольная с дополнительными стойками (рис. 8.1). Рис. 8.1. Геометрическая схема фермы Основными нагрузками являются постоянная и снеговая. При работе фермы в составе поперечной рамы дополнительными нагрузками являются опорные моменты. В зависимости от максимального усилия в стержнях фермы определяется толщина фасонок. Сечения стержней фермы принимаются из парных равнополочных уголков, соединенных в узлах на фасонках. Номер уголков определяется из условия прочности: для растянутых стержней ; для сжатых стержней • Назначается гибкость λх. • По гибкости определяется коэффициент продольного изгиба х. • При невыполнении условия устойчивости корректируется величина х. Все расчеты по подбору сечений стержней фермы сводятся в таблицу. Для обеспечения совместной работы уголков по длине ставятся прокладки той же толщины, как фасонки на расстоянии: • 80ix – для растянутых стержней; • 40 ix – для сжатых стержней. Размеры прокладок принимаются: шириной 50…60 мм; длиной на 20…30 мм больше размера уголка. Требуемые длины сварных швов определяют по следующей схеме: - при известной толщине фасонки и привариваемых уголков задаются катетом шва kf в соответствии с конструктивными требованиями [1, табл. 38*]; - при известных продольных усилиях N в элементах фермы определяются требуемые длины швов по обушку и по перу уголка: ,, , где b - размер привариваемой полки уголка; z0 - расстояние от обушка до собственной оси уголка; βf - коэффициент провара [1, табл. 34*]; Rwf – расчетное сопротивление угловых швов срезу по металлу шва; γwf – коэффициент условий работы шва. Тема 9. Промышленные здания Общая характеристика промышленных зданий (ПЗ) ПЗ, как правило, большепролетные (от 12 м и свыше 100м, трудно назвать конечную цифру). Назначение ПЗ – производство (обеспечение технологического процесса). Особенности ПЗ: 1. Выполняются каркасными в связи с пролетами; 2. Оборудуются кранами. Каркасы ПЗ могут быть: 1.Металлическими; 2. Железобетонными; 3. Смешанными (ж/б колонны, сверху металлическая стропильная конструкция); 4. Деревянными (бескрановые ПЗ). Краткая характеристика кранового оборудования Все типы кранов различают по: А) Конструктивной схеме: -подвесные краны К ферме подвешиваются пути крана – балки двутаврового сечения вдоль пролета. Сама балка моста крана – двутавр, тележками охватывает нижние полки. На мосту крана монтируется лебедка. Может быть установлен на весь пролет или несколько кранов в один пролет. Грузоподъемность сравнительно невелика: 0.5-10 т. -мостовые краны: Под них применяются колонны ступенчатого типа, либо с консолью Мост переносит грузы вдоль цеха, тележка – поперек. Этот тип кранов – основной. Грузоподъемность: 10-250 т. Пролет до 24 м (36 м). - консольные краны: Размещаются непосредственно у к/л станка. Бывают консольными, либо консольно-поворотными. Грузоподъемность – несколько сотен килограммов. - напольные краны: Например, самолетный ангар – пролетом 60-150 м. Бывают на пневмоколесном ходу, либо дизель-электрические. - козловые краны Нагрузки от крана передаются не на колонну По управлению мостовые краны бывают: -из кабины; -с пола. Оборудованы двумя гаками – основным и дополнительным. Грузоподъемность: чем тяжелее груз, тем меньше скорость. Режимы работы крана: Обозначаются 1К…8К. -ЛЕГКИЙ (Л) – грузоподъемность до 5 т; в основном технологическом процессе не участвуют (например, используются при ремонте); -СРЕДНИЙ (С) – до 100 т, участвуют в технологическом процессе, интенсивность работы не велика; средняя масса грузов – 50% ГП; работает в 3 смены; -ТЯЖЕЛЫЙ (Т) – до 200 т, 3 смены, 365 дней в году; средняя масса груза 80 %; -ВЕСЬМА ТЯЖЕЛЫЙ (ВТ) – все показатели близки к максимуму. По типу привода крана: -электрические краны; -ручной привод (нельзя использовать реле – взрывоопасно, нефтезавод). Три цепи, перебирая их приводят в движение мост, тележку и полиспаст. Каждый пролет оборудуется не менее 2 кранами. Точные характеристики кранов – учебник МК или ГОСТ на краны. Наиболее часто встречаются рамы с жестким защемлением в фундаменте. Рама (по заданию) одноэтажная, однопролетная, жестко защемленная в фундаменте, с жестким креплением ригеля к колонне. Основные размеры поперечной рамы определены в разд. 1.2 настоящих указаний и приведены на рис. 3. Последовательность расчета:  сбор нагрузок на раму (постоянная, снеговая, ветровая, крановая);  статический расчет рамы. Погонная нагрузка на ригель рамы Постоянная равномерно распределенная погонная нагрузка на ригель рамы (ферма) определяется в соответствии с выражением q п =(gнферf+ gнсвязf + gнплитf + gнкровf) В, где gнфер, gнсвяз, gнплит, gнкров – вес несущих и ограждающих конструкций соответственно фермы, связей, железобетонных плит покрытия и конструкции кровли (табл. 5); γf – соответствующие нагрузкам коэффициенты надежности по нагрузке принимать по [2] в зависимости от материала конструкции; B – шаг поперечных рам, м. Таблица 5 Вес несущих и ограждающих конструкций Вид конструкций Нормативный вес gн, кН/м2 1 2 Крупнопанельные железобетонные плиты покрытия (с заливкой швов): ПР.57.15 1,5х6 м ПР.57.30 3х6 м 1,2 1,4 окончание таблицы 5 1 2 ПР.116-15 1,5х12 м ПР.116-30 3х12 м Металлические несущие конструкции цеха: стропильные фермы связи колонны подкрановые балки Кровля (утепленная) 2,4 1,7 0,2…0,4 0,04…0,15 0,3…1,0 0,3…1,3 1,0…1,3 Тип плит принимается в зависимости от шага поперечных рам. Примечание. Мéньшие значения собственного веса металлических конструкций относятся к цехам с кранами грузоподъемностью 80 тс, бóльшие – к цехам с кранами грузоподъемностью 200 тс. Вес стенового ограждения Вес верхней и нижней частей стенового ограждения определяется в соответствии с выражениями где gнcm – осредненный нормативный вес 1 м2 стенового и оконного ограждения, ориентировочно равный 0,6…0,8 кН/м2; γf – коэффициент надежности по нагрузке [2, табл. 1]; hcm.в, hcm.н – высота верхней и нижней частей стены (рис. 9); Нпар – высота парапета, hст.в = Hв +Hфо + Hпар. Вес колонны Общая нагрузка от веса колонны находится в соответствии с рекомендациями табл. 5 по формуле (рис. 9): Gк= f В Lр/2 и распределяется на вес верхней и нижней частей колонны, соответственно = 0,2Gк и = 0,8Gк. Вес подкрановых балок Вес подкрановой балки (рис. 10), приходящийся на одну колонну, вычисляется в соответствии с рекомендациями табл.5 по формуле: Gб = f В Lр /2, где – нормативная распределенная нагрузка от веса подкрановой балки. Рис. 9. К расчету стенового ограждения Рис. 10. Схема приложения постоянных нагрузок на раму Тема 10. Подкрановые конструкции Понятие «подкрановая конструкция» включает в себя: подкрановую балку, подкрановый рельс, тормозной горизонтальный лист или ферму, поддерживающий швеллер и узлы крепления. Вид на балку изнутри цеха: Различают разрезные и неразрезные балки. Показан разрезной вариант: такую балку удобнее ремонтировать без остановки производственного процесса. Вертикальное усилие Fk вызывает прогиб балки. Горизонтальная сила Тк – балка выгибается в горизонтальной плоскости. Конструкция работает на косой изгиб. Расчет ведется приближенным способом. Условно считается, что изгибающий момент Мх воспринимается только сечением подкрановой балки; момент Mz – сечением из верхней полки, горизонтальным тормозным листом и поддерживающим швеллером. Пролет балки как правило 6..12 м. Для определения внутренних усилий используют линию влияния. Величина расчетной нагрузки: nc – коэффициент сочетания (2 крана); kд = 1.4 – коэффициент динамичности. Определить наиболее невыгодноезагружение подкрановой балки: 2 способа – точный и инженерный. В масштабе вычерчивается ходовая часть крана со всеми размерами; пролет подкрановой балки. Инженерный способ: Одна из сил Fk ставится посередине пролета. При этом «лишние» колеса не учитываются. Момент определяется как: 1где α = 1.03..1.05 – собственный вес балки; ∑yi – сумма ординат линии влияния под колесами крана; Точный способ (теорема Винклера): Определяется равнодействующая всех сил, расположенных на балке. Равнодействующая всех сил R и ближайшее к ней колесо крана должны располагаться симметрично относительно середины пролета. Точный способ дает расхождение с инженерным не более 5 %. Определение поперечной силы Qmax. Определение Mzmax и Qzmax от усилия T: Порядок проектирования: -задаемся высотой балки, определяем ее сечение; -задаемся листом и швеллером (на основе существующих аналогов, номограмм); - выполняем проверку назначенного сечения. Определяем напряжения в 3 характерных точках (А, В, С). 1) 2) 3) Сечение скомпоновано верно в том случае, когда: - все три неравенства выполняются; - запас в формулах 1-2 не превышает 3-5%; - запас в формуле 3 может быть любым. Необходимые проверки: срез, общая устойчивость, местная устойчивость. 2 группа предельных состояний Вертикальные прогибы ограничивают: колеса гладки, сцепления почти нет, при больших прогибах кран не поднимется «в горку». Предельно допустимый прогиб для подкрановых балок равен 1/300…1/600 от пролета. Горизонтальные прогибы: во избежание расклинивания колес крана (1/1000L). Упрощенный способ вычисления прогибов: Для разрезных балок -неразрезные: Крановые нагрузки Рассмотрим мостовые краны как основной тип. Ходовая часть крана: Ходовая часть различается по числу колес (зависит от грузоподъемности крана): Каждое колесо крана передает вертикальную нагрузку на подкрановую балку Fk. Величина Fkдается в справочниках в двух вариантах: Fkmin, Fkmax. Берем среднее воздействие, не учитываем неравномерность – Fср. Второе воздействие: Инерционная сила Тк – горизонтальное усилие, передаваемое колесом моста крана на подкрановую балку при движении тележки (начало движения, торможение). Сила Тк – знакопеременная. Третье воздействие. Усилие Sk – инерционная сила, передающаяся от моста крана. Задача: определить значения усилий, учесть сочетание нагрузок, найти неблагоприятное, рассчитать конструкцию. Крановые колеса: Металлические, напоминают железнодорожные. Отличие: Разница между ними – ж/д колесо должно обеспечить поворот; крановое наоборот, поскольку: 1) поворот не нужен; 2) чтобы в аварийной ситуации кран не слетел с рельсов. Различают 2 типа подвесов груза: - с гибким подвесом груза; - с жестким подвесом (тормозные усилия многократно возрастают). Тормозное усилие от тележки: Нормативное тормозное усилие: Q – грузоподъемность крана; G – вес крана; К0 – количество колес с одной стороны крана; К = 0.05 – гибкий подвес; К = 0.1 – жесткий подвес. Крановые рельсы и их узлы В качестве крановых применяются рельсы трех типов: 1.Брусок 50 на 50 мм – для легкого режима работы; 2.Железнодорожный рельс 3.Крановый рельс (приземистый, крепкий, короткая ножка) К рельсовому пути предъявляются жесткие требования по отклонениям от прямолинейности. Ровно уложенный рельс искривляется со временем (фундаменты не работают упруго, возможна деформация). Периодически проверяют положение рельса и исправляют его (рихтуют). Поэтому большинство узлов должны обеспечивать не только крепление рельса, но и возможность его рихтовки. Для легкого режима работы разрешается приваривать рельс к подкрановой балке. В этом случае рихтуют не рельс, а саму балку по колонне. Возможность рихтовки: Делают выемки в рельсе. В выемки вставляют шайбы. Вверх рельс уйти не может, можно ослабить шайбу и подстучать рельс: Узел без ослабления балки: Рихтовка ограничивается. Расстояние между осями балки рельса не должно превышать 15 мм. Иначе возрастает изгибающий момент на балку. Определение усилий, действующих на подкрановые конструкции Нагрузками на подкрановую конструкцию являются: 1) вертикальное давление от двух сближенных мостовых кранов и собственный вес подкрановой конструкции; 2) горизонтальная нагрузка от одновременного торможения тележек с грузом двух кранов. • нормативное давление (); • расчетное давление . Силы поперечного торможения приложены к головке кранового рельса и могут быть направлены внутрь или наружу пролета: • нормативная • расчетная , где вертикальные нормативные давления; Q– грузоподъемность крана, тс; – вес тележки, кН; nо – число колес с одной стороны крана; – коэффициенты динамичности, принимаемые для режима работы крана (4к…6к); – коэффициент надежности по нагрузке; – коэффициент сочетания . Расчетные усилия (М, Q) в подкрановой конструкции определяются по линиям влияния (рис. 10.1). Максимальный момент в вертикальной плоскости: где – сумма ординат л. в. Мmах, расположенных под грузами;  – коэффициент, учитывающий собственный вес подкрановых конструкций по табл. 1. Рис.10.1. К определению изгибающего момента и поперечной силы в подкрановой балке Максимальный момент в горизонтальной плоскости определяется по той же л. в., что и и при том же расположении колес кранов: . Максимальная поперечная сила на опоре вычисляется по л. в. : , где – сумма ординат л. в. ;  – коэффициент, учитывающий собственный вес подкрановых конструкций по табл. 10.1. Таблица 10.1 Коэффициент собственного веса подкрановой конструкции Пролет балки Коэффициент  При вычислении При вычислении 6 м 1,03 1,02 12 м 1,05 1,04 Подбор поперечного сечения подкрановой балки Подбор сечения начинается с определения высоты подкрановой балки из условия прочности (оптимальная высота) и условия жесткости (минимальная высота). Оптимальная высота балки из условия прочности, см: Минимальная высота балки из условия жесткости, см: , где к – коэффициент для сварной балки, к = 1,2; Wхтр – требуемый момент сопротивления, см3: tст – толщина стенки по эмпирической формуле, мм: , где hб – ориентировочная высота подкрановой балки, м; = 0,9 – коэффициент, учитывающий влияние тормозного усилия тележки крана; – расчетное сопротивление стали; lб – пролет подкрановой балки; – величина, обратная предельному значению относительного прогиба подкрановой конструкции; – осредненный коэффициент надежности по нагрузке; Е – модуль упругости стали. Из двух значений высоты балки выбирается большее и принимается в соответствии с ГОСТом на листовую сталь. Поперечное сечение подкрановой балки принимается с уширенным верхним поясом. Размеры сечения должны удовлетворять требованиям: 1) 5) ; 2) мм; 6) ; 3) ; 7) , [1, табл. 30]. 4) Тема 11. Каркасы промзданий Каркас здания предназначен для восприятия и передачи на фундамент усилий от постоянных нагрузок, технологического оборудования, а также от климатических воздействий. Несущими элементами каркаса являются поперечные рамы, состоящие из колонн и стропильных ферм; подкрановые балки; вертикальные и горизонтальные связи. Компоновка каркаса 1) Вертикальная Ось подкрановой балки совмещается с внутренней гранью подкрановой ветви колонны. Пунктиром показан крановый габарит (с тележкой). Какой высоты здание – определяется технологическим процессом. Исходные данные: - грузоподъемность крана; - пролет; - уровень головки кранового рельса (УГКР, иногда УКР) – отметка дается технологами; H1 – от УГКР до отметки чистого пола – известна; H2 – от УГКР до ОНСК; Н2 = Нк + 100 + fф; Здесь Нк – высота крана на опоре (Нк зависит от пролета и от Gт); 100 мм – зазор между максимальной отметкой крана и стропильной конструкции – на случай аварии); Прогиб фермы fф, принимается приблизительно 1/300-1/400 пролета L*γср. Нв – верх надкрановой части колонны: Нв = Нк + 100 + hр + hпб; hр – высота подкранового рельса; hпб – высота подкрановой балки (прил. 1, для каждого крана указаны рельс и балка ориентировочно); Нн = Н1 - hр – hпб + 600..1000 мм; 600..1000 мм – заглубление базы колонны относительно чистой отметки пола. Включает высоту базы (450-850 мм) и 150 мм на конструкцию чистого пола. Нфо – высота фермы на опоре: Трапециедальная ферма – типовая, приняты условности: Не более 24 м – Нфо = 2250 мм; Более 24 м – Нфо = 3150 мм. Горизонтальная компоновка: Исходные данные: пролет L – расстояние между разбивочными осями. Параметры: а, мм – расстояние от наружной грани шатровой ветви до оси. Может иметь 3 значения: - 0 мм – для бескрановых зданий; - 500 мм – для высоких зданий 12-14 м; ГП крана 100 и более тонн; устраивается проход в теле колонны. - 250 мм – в остальных случаях. n, мм – высота сечения надкрановой части: 450 или 700 мм. Конструктивное требование: - по условию жесткости; m, мм – высота сечения подкрановой части. Возможны три варианта конструкции: В подкрановых конструкциях: B1, мм – свес крана на опоре; 400 мм – расстояние для прохода; 50 мм – ограждений (50-й уголок); h = 1000 мм для возможности устройства прохода. В любом случае по жесткости. Геометрическая неизменяемость зданий обеспечивается жесткостью узлов либо использованием связей по каркасу. Каркасы промышленных зданий Порядок расчета поперечных рам: 1.Сбор нагрузок Расчетная схема: Все размеры известны из компоновки. Нагрузки: -постоянные (собственный вес колонн, фермы, связей, несущих конструкций покрытия, стенового ограждения, масса подкрановых путей); - временные: А) климатические воздействия (снег, ветер); Б) Крановые нагрузки: вертикальное давление крана на колонну, горизонтальное воздействие от торможения тележек крана; -особые: сейсмические, резкое повышение температуры, давления; взрывные нагрузки. Ориентировочно задаемся массой колонн, ферм и т.д.: Ферма – 40 кг/м2; Профлист – 10..15 кг/м2; Колонна – 20 кг/м2 полезной площади; Стены – опорные столики ставить не реже, чем через 3 стеновые панели. Временные климатические: -Снеговая: СП «Нагрузки и воздействия»; в СКАД программа ВЕСТ. В нормах введено условие, что снег с высоких зданий сдувает. Зависит от скорости ветра. -Ветровые нагрузки: W, кгс – сосредоточенная нагрузка для части здания выше ригеля. Эпюра переменной интенсивности. В Лире удобно считать, вручную – не найти в справочниках. Поэтому заменяют эквивалентной равномерной эпюрой из условия равенства площадей. Крановые нагрузки: -вертикальные Когда 2 крана в сцепе работают вблизи одной из колонн – происходит максимальное давление (возможно как на левой, так и на правой колонне, тележка посередине – поровну). Кран уехал – нет нагрузки. Рассматривают первый вариант с Dmax и Dmin. Эти усилия фактически прикладываются к подкрановой полке колонны. Чтобы привести к эквивалентной добавляем момент Mmin и Mmax. Там, где колеса передают Fkmax – там Dmax, где Fkmin – там Dmin. Определение Dmax: Выбирают положение крана, соответствующее максимальному Dmax. -горизонтальное крановое воздействие T, кгс прикладывают к колонне на расстоянии равном высоте подкрановой балки (Тк – от одного колеса, Т – от всех сил). Прикладывают: - к левой колонне; - к правой колонне; - по половине к каждой колонне. Усилие Т от торможения тележки крана зависит от двух моментов: 1.От направления действия тормозного усилия; 2.Минимальной величины зазора между ребордой крана и головкой рельса. Учитывая, что передача Т – случайная величина, выбирают самое невыгодное. Соответственно, необходимо посчитать раму дважды: приложить Т к левой колонне, потом к правой. Итого расчетов на разные загружения около десятка. Поэтому для удобства расчетов пользуются программами. Схема трижды статически нопределима – распределение усилий зависит от соотношения жесткостей элементов рамы. Начальными жесткостями можно задаться следующим образом: Если момент разделить на высоту получим усилия в поясах: Делается допущение, что пояса одинаковые. Тема 12. Внецентренно сжатые колонны К расчету внецентренно-сжатых колонн: Исходные данные: 1.Тип сечения 2. Геометрические параметры. Неизвестно: bf; tf; tw. 3.Расчетные усилия Mmax; Nсоотв. 4.Сталь. Подбор сечения: 1.Определение Атр. Существуют номограммы Атр = f(m; m/Ry). Полную площадь сечения Атр разбрасываем на Af и Aw. Начинают со стенки: Условие местной устойчивости Рекомендуемое соотношение hw/tw = 80..120, но принятая стенка в таком случае может терять устойчивость! Отсюда находим: Aw = tw×hw, Af = (Aтр – Аw)/2. Определяем размеры bf и tf. 1.Условие свариваемости; 2.Местная устойчивость полки (табл. 29) Приблизительно свес bef = 0.5bf, тогда Правая часть приблизительно: 12…18. , отсюда определяем tf. Проверки колонн 1.Жесткость колонн (рамы) А) Конструктивные требования m и n. Б) Проверка КЭ – горизонтальные нагрузки, ограничение перемещений 1/300..1/600 Hк. 2.Прочность А) Выполняют по обычным формулам сопромата в случаях, если есть ослабления сечения (например, вырезы). Б) Циклические нагрузки: расчет прочности с учетом усталости металла (производят при количестве циклов нагружений около 1000000 раз. 3.Устойчивость колонн А) Определяются расчетные длины колонн ОПЗ: В нормах предусмотрено 2 типа рам -свободные рамы; -несвободные рамы; Свободная рама – в момент потери устойчивости колонн верхние точки колонн могут свободно перемещаться в горизонтальном направлении в плоскости рамы. Пример Сечения колонн одинаковые. На колонны действует одинаковая нагрузка N. Считается, что верх колонны не закреплен. Все колонны теряют устойчивость одновременно. Несвободная рама: Средние колонны собирают бОльшую нагрузку, имеют большее сечение. Поэтому не теряют устойчивость одновременно. Считается, что колонна, не потерявшая устойчивость, служит связью для потерявшей. Наличие/отсутствие связи в оголовке зависит от соотношения жесткостей стойки и ригеля. Для свободных рам табл. 17а: Программа СКАД – «Определение расчетных длин элементов». Для колонн переменного сечения: отдельно рассматриваются жесткости подкрановой и надкрановой частей. Для них – два коэффициента µ (прил. 6, стр. 75 СНиП). Если жесткость ригеля небесконечная – СП, либо пособие к СНиП. Проверка общей устойчивости колонны А) В плоскости действия момента Ф. 51 СНиП ,табл. 74-75 η-зависит от формы сечения элемента. Б) Из плоскости действия момента: с – снижение устойчивости за счет изгибно-крутильной формы (ф. 57-60). Расчетные длины колонн можно изменять, добавляя элементы (распорки, связи, подкрановые балки). Тема 13. Конструкции покрытий Различают беспрогонные покрытия и покрытия по прогонам. В качестве беспрогонных покрытий чаще всего выступают сборные железобетонные плиты либо профилированный лист. По плитам и профлисту устраивается совмещенная кровля. Покрытие по прогонам выполняется в виде профилированных листов. Прогоны монтируются по верхним поясам стропильных ферм. Опирание прогонов целесообразно производить в узлы ферм. В противном случае в верхнем поясе возникают дополнительные усилия (изгибающие моменты), которые необходимо уситывать при расчетах. Предельные размеры расстояний между температурными швами при температурном режиме (t ≥ -40°c). Категория здания или сооружения Предельные размеры, м Отапливаемое здание Неотапливаемые здания и горячие цеха Открытые эстакады Расстояние от торца отсека до ближайшей связи колонн Длина отсека вдоль здания Ширина отсека 90 230 150 75 200 120 50 130 - При длине температурного отсека, близкой к предельной рекомендуется распологать связи колонн в двух панелях на расстоянии (в осях) не более 50 метров для зданий и 30 метров для открытых эстакад. Длина между температурными швами при железобетонных колоннах не должна превышать 60 метров для зданий и 40 метров для открытых эстакад. Продольный шаг колонн обычно назначают 6, 12 и, в виде исключения, 18 метров и более, поперечный шаг – 18, 24, 30, 36 метров.