Строительные конструкции

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ Модуль «Строительные конструкции» по дисциплине - «Металлические конструкции» для студентов специальности 6В07301 – «Промышленное и гражданское строительство» Очная форма с полным сроком обучения 1 ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ История развития металлических конструкций подразделяется на несколько периодов. Первый период (с XII до начала XVII в.) характеризуется применением металла в уникальных по тому времени сооружениях (дворцах, церквах и т.п.) в виде затяжек и скреп для каменной кладки. Затяжки выковывали из кричного железа и скрепляли через проушины на штырях. Одной из первых конструкций такого типа являются затяжки Успенского собора во Владимире (1158). Второй период (с начала XVII до конца XVIII в.) связан с применением наклонных металлических стропил и пространственных купольных конструкций («корзинок») глав церквей. Стержни конструкций выполнены из кованых брусков и соединены на замках и скрепах горновой сваркой. Конструкции такого типа сохранились до наших дней. Примерами служат перекрытия пролетом 18 м над трапезной Троице-Сергиевой лавры в Сергиевом посаде (1696—1698) и другие перекрытия и каркасы куполов соборов и церквей. Третий период (с начала XVIII до середины XIX в.) связан с освоением процесса литья чугунных стержней и деталей. Были построены чугунные мосты и конструкции перекрытий гражданских и промышленных зданий. Соединения чугунных элементов осуществляются на замках или болтах. Первой чугунной конструкцией в России считается перекрытие крыльца Невьянской башни на Урале (1725). В 1784 г. в Петербурге был построен первый чугунный мост. Совершенства чугунные конструкции достигли в середине XIX в. Уникальной чугунной конструкцией 40-х годов XIX в. является купол Исаакиевского собора, собранный из отдельных косяков в виде сплошной оболочки. Рисунок 1.1 – Металлические конструкции XVII- XIX вв.: а – наклонные стропила; б – каркас купола; в – разрез купола Исаакиевского собора в Петербурге В Европе первый чугунный мост пролетом 30,6м был построен в Великобритании через р. Северн в 1776-1779гг. А появление пудлинговых печей в 1784г. для выработки сварочного железа и проката в Лотарингии в 1819г. привело к созданию в Европе значительного числа цепных и кабельных висячих мостов, имевших существенно больший пролет, чем чугунные. Так, цепной мост через Менейский пролив в Великобритании (рисунок 1.2), построенный в 1818 – 1826 гг., имел пролет 176,5 м, а кабельный мост во Фрейбурге в Швейцарии, построенный в 1832 – 1840 гг., – уже 273 м. Рисунок 1.2 – Цепной мост через Менейский пролив в Великобритании Четвертый период (30-е годы XIX в. - 20-е годы ХХ в.) Связан с быстрым техническим прогрессом во всех областях техники. Бурное развитие железных дорог, недостаточная жесткость висячих мостов и развитие проката стали на заводах привело к появлению мостов из профильного металла. Рисунок 1.2 – Сызранский мост через реку Волгу (1879) Проф. Н.А.Белелюбский (1848—1922), мостостроитель и ученый, впервые применил раскосную решетку для мостовых ферм (рисунок 1.2), разработал первый в России метрический сортамент прокатных профилей и усовершенствовал методику испытаний строительных материалов. Крупнейшим сооружением своего времени был трубчатый железнодорожный мост «Британия», построенный в 40-е годы XIX в. инженером Р. Стефенсоном через Менейский пролив в Великобритании и имевший пролеты 71,9 + 2х 140 + 71,9 м (рисунок 1.3). Рисунок 1.3 – Мост «Британия» в Великобритании (не сохранился) Постепенно строительство из металла начинает применяться наряду с мостостроением и в общественных, и в производственных зданиях. В Лондоне в 1854 г. для Всемирной выставки был построен «Хрустальный дворец», в 50-е годы XIX в. в Марселе перекрывается вокзал фермой Полонсо пролетом 52 м, строятся склады лондонских доков. Усовершенствование производства железа и стали путем внедрения в 1856г. бессемеровского (конверторного), а в 1864г. – мартеновского способа получения стали привело к дальнейшему развитию металических конструкций. Начали применять решетчатые каркасы рамно-арочной конструкции для перекрытия зданий значительных пролетов. Примерами являются покрытия Сенного рынка в Петербурге (1884) пролетом 25 м, Варшавского рынка пролетом 16 м (1891), Гатчинского вокзала (1890) и др. Наибольшего совершенства рамно-арочная конструкция достигла в покрытии дебаркадеров Киевского вокзала в Москве, построенного по проекту В. Г. Шухова (1913-1914) (рисунок1.4). Рисунок 1.4 – Киевский вокзал в Москве В 1882-1891гг. в Великобритании строится Фортский железнодорожный мост консольно-балочной системы с двумя средними пролетами по 521м, а в 1889г (рисунок 1.5). для Всемирной выставки в Париже возводится Эйфелева башня высотой 300м. Рисунок 1.5 – Фортский железнодорожный мост Пятый период (послереволюционный) начинается в России с 20-х годов XX в., с первой пятилетки, когда государство (СССР) приступило к осуществлению широкой программы индустриализации страны. Заводы и специализированные монтажные организации, оснащенные современным высокопроизводительным оборудованием, были объединены в одну систему (Главстальконструкция), выполняющую основной объем строительства металлических конструкций. Объем металлических конструкций за этот период (1930—1980) увеличился более чем в 20 раз. Значительно расширилась номенклатура металлических конструкций и возросло разнообразие их конструктивных форм. К концу 40-х годов клепаные конструкции были почти полностью заменены сварными, "более легкими, технологичными и экономичными". Развитие металлургии уже в 30-х годах позволило применять в металлических конструкциях вместо обычной малоуглеродистой стали более прочную низколегированную сталь (сталь кремнистую для железно - дорожного моста через р. Ципу (Закавказье) и сталь ДС для Дворца Советов около московорецких мостов). Характерной чертой развития металлических конструкций в СССР стала типизация конст­руктивных схем и элементов. Большой объем строительства и связанная с ним повторя­емость конструкций создали предпосылки для разработки типовых схем и конструктив­ных решений каркасов промышленных зданий. Наряду с совершенствованием конструктивной формы развивались и методы расчета конструкций. До 1950 г. строительные конструкции рассчитывали по методу допускаемых напряжений. Такой расчет недостаточно полно отражал действительную работу конструкций под нагрузкой, иногда в недостаточной мере гарантировал их надежность и в ряде случаев приводил к перерасходу материалов; взамен него был разработан метод расчета конструкций по предельным состояниям. В XX в. металлостроительство в Европе продолжало усиленно развиваться. Было построено много уникальных сооружений — выставочные павильоны ЭКСПО-58 в Брюсселе, мост «Европа» в Австрии, общественный центр им. Ж. Помпиду в Париже, платформы для добычи нефти в Северном море и многие другие сооружения. В США с конца XIX в. и по настоящее время преимущественное развитие получили две области строительства из металла: многоэтажное строительство и мостостроение висячих систем. Уже в 1931 г. в центре Нью-Йорка за 15 месяцев было построено здание «Эмпайр Стейт» высотой 319 м с башней на нем высотой 62 м (рисунок 1.6). Рисунок 1.6 – Эмпайр-стейт-билдинг в Нью-Йорке Оно долгое время оставалось самым высоким зданием мира. В настоящее время большинство высотных зданий сосредоточено именно в США, а самым высоким зданием является 110-этажное здание «Сиарс» в Чикаго высотой 445 м. Из мостов висячей системы следует упомянуть построенный в Сан-Франциско в 1937 г. мост «Золотые ворота» со средним пролетом 1280 м. Этот пролет оставался долгое время самым большим в мире, и только в последние годы постройка моста «Хамбер» в Великобритании со средним пролетом 1410 м сделала мост в Сан-Франциско рядовым мостом. Развитие промышленности и гражданского строительства привело к появлению огромного разнообразия металлических конструкций: гражданских зданий различного назначения, промышленных зданий с мостовыми кранами большой грузоподъемности, морских платформ для добычи нефти, сооружений связи и транспорта и других сооружений, для несущих конструкций которых сталь явилась незаменимым строительным материалом. В настоящее время конструктивное разнообразие и развитие зданий и сооружений с применением металла продолжает увеличиваться. В последнее время большое развитие получили легкие универсальные здания комплектной поставки. Широкая разработка научных основ металлостроительства, особенно с применением ЭВМ, позволила значительно усовершенствовать и разнообразить конструктивную форму при меньшей затрате материалов и труда. Так развивалось металлостроительство в мире. 2 ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ Металлические конструкции широко применяют при возведении различных зданий и сооружений. Благодаря значительной прочности и плотности металла, эффективности соединений элементов, высокой степени индустриальности изготовления и монтажа, возможности сборности и разборности элементов металлические конструкции характеризуются сравнительно малым собственным весом, обладают газо- и водонепроницаемостью, обеспечивают скоростной монтаж зданий и сооружений и ускоряют ввод их в эксплуатацию. Основной недостаток стальных конструкций — подверженность коррозии — устраняется их окраской, покрытием полимерными материалами или смолами, оцинкованием и другими методами защиты. Благодаря малой плотности и высокой коррозионной стойкости алюминиевых сплавов из них можно возводить легкие большепролетные покрытия зданий и павильонов, разводные мосты, шлюзы, стойки ЛЭП, различные ограждающие конструкции (стеновые панели, кровельный настил и др.), а также требующие достаточной плотности, непроницаемости и стойкости против коррозии объекты нефтехимической промышленности. При проектировании алюминиевых конструкций следует учитывать повышенную деформативность алюминиевого сплава (для которого модуль упругости Е = 71000 МПа, что почти в 3 раза меньше, чем для стали), а также его низкую огнестойкость (при t>100°С снижаются механические свойства сплава, а при t>200°С проявляется ползучесть). В зависимости от вида конструкций и их сочетаний различают системы стержневые и сплошные. К стержневым системам, состоящим из балок, ферм и колонн, относятся: каркасы зданий и сооружений, мосты, покрытия зданий в виде ферм, арок или куполов; ангары, мачты и башни, нефтяные вышки, стойки ЛЭП, эстакады, краны и другие конструкции. К сплошным системам относятся различные виды листовых конструкций: газгольдеры, резервуары, бункеры, трубы и трубопроводы большого диаметра, специальные конструкции металлургических и нефтехимических заводов и т.д.   2.1 ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ И ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К НИМ ТРЕБОВАНИЯ Не смотря на большую номенклатуру металлических конструкций, которая характеризуется большим разнообразием систем и конструктивных форм, все эти разнообразные конструкции можно объединить двумя основными факторами, позволяющими изучать их как единый вид. Во-первых, исходным материалом для всех конструкций является прокатный металл, выпускаемый по единому стандарту (сортаменту): лист, уголок, швеллер, двутавр, труба и т.п. Из этого материала компонуются все разнообразные конструктивные формы. Во-вторых, все конструкции объединены одним технологическим процессом их изготовления, в основе которого лежат холодная обработка металла (резка, гибка, образование отверстий и т. п.) и соединение деталей в конструктивные элементы и комплексы (сборочно-сварочные операции). Металлические конструкции обладают следующими достоинствами, позволяющими применять их в разнообразных сооружениях. Надежность металлических конструкций обеспечивается близким совпадением их действительной работы (распределение напряжений и деформаций) с расчетными предположениями. Материал металлических конструкций (сталь, алюминиевые сплавы) обладает большой однородностью структуры и достаточно близко соответствует расчетным предпосылкам об упругой или упругопластической работе материала. Легкость. Из всех изготовляемых в настоящее время несущих конструкций (железобетонные, каменные, деревянные) металлические конструкции являются наиболее легкими. Легкость конструкций с определяется отношением плотности материала ρ к его расчетному сопротивлению R, 1/м: С = ρ /R. Чем меньше значение с, тем относительно легче конструкция. Например: для малоуглеродистой стали С245      С = 3,2х10-4 м-1, для стали высокопрочной      С590    С = 1,3х10-4 м-1, для дюралюминия марки Д16-Т    С = 2,16х10-4 м-1, для бетона класса В 22,5               С = 18,5х10-4 м-1, для дерева                                      С = 3,6х10-4 м-1. Индустриальность. Металлические конструкции в основной своей массе изготовляются на заводах, оснащенных современным оборудованием, что обеспечивает высокую степень индустриальности их изготовления. Монтаж металлических конструкций также производится индустриальными методами — специализированными организациями с использованием высокопроизводительной техники. Непроницаемость. Металлы обладают не только значительной прочностью, но и высокой плотностью — непроницаемостью для газов и жидкостей. Плотность металла и его соединений, осуществляемых с помощью сварки, является необходимым условием для изготовления газгольдеров, резервуаров и т.п. Металлические конструкции имеют и недостатки, ограничивающие их применение. По нейтрализации этих недостатков необходимы специальные меры. Коррозия. Не защищенная от действия влажной атмосферы, а иногда (что еще хуже) атмосферы, загрязненной агрессивными газами, сталь корродирует (окисляется), что постепенно приводит к ее полному разрушению. При неблагоприятных условиях это может произойти через два-три года. Хотя алюминиевые сплавы обладают значительно большей стойкостью против коррозии, при неблагоприятных условиях они также корродируют. Хорошо сопротивляется коррозии чугун. Повышение коррозионной стойкости металлических конструкций достигается включением в сталь специальных легирующих элементов, периодическим покрытием конструкций защитными пленками (лаки, краски и т.п.), а также выбором рациональной конструктивной формы элементов (без щелей и пазух, где могут скапливаться влага и пыль), удобной для очистки и защиты. Небольшая огнестойкость. У стали при t = 200 °С начинает уменьшаться модуль упругости, а при t = 600 °С сталь полностью переходит в пластическое состояние. Алюминиевые сплавы переходят в пластическое состояние уже при t = 300°С. Поэтому металлические конструкции зданий, опасных в пожарном отношении (склады с горючими или легковоспламеняющимися материалами, жилые и общественные здания), должны быть защищены огнестойкими облицовками (бетон, керамика, специальные покрытия и т. п.). При проектировании металлических конструкций должны учитываться следующие основные требования. Условия эксплуатации. Удовлетворение заданным при проектировании условиям эксплуатации является основным требованием для проектировщика. Оно в основном определяет систему, конструктивную форму сооружения и выбор материала для него. Экономия металла. Требование экономии металла определяется большой его потребностью во всех отраслях промышленности (машиностроение, транспорт и т. д.) и относительно высокой стоимостью. В строительных конструкциях металл следует применять лишь в тех случаях, когда замена его другими видами материалов (в первую очередь железобетоном) нерациональна. Транспортабельность. В связи с изготовлением металлических конструкций, как правило, на заводах с последующей перевозкой на место строительства в проекте должна быть предусмотрена возможность перевозки их целиком или по частям (отправочными элементами) с применением соответствующих транспортных средств. Технологичность. Конструкции должны проектироваться с учетом требований технологии изготовления и монтажа с ориентацией на наиболее современные и производительные технологические приемы, обеспечивающие максимальное снижение трудоемкости. Скоростной монтаж. Конструкция должна соответствовать возможностям сборки ее в наименьшие сроки с учетом имеющегося монтажного оборудования. Долговечность конструкции определяется сроками ее физического и морального износа. Физический износ металлических конструкций связан главным образом с процессами коррозии. Моральный износ связан с изменением условий эксплуатации. Эстетичность. Конструкции независимо от их назначения должны обладать гармоничными формами. Особенно существенно это требование для общественных зданий и сооружений. Экономия металла в металлических конструкциях достигается на основе реализации следующих основных направлений: применения в строительных конструкциях низколегированных и высокопрочных сталей, использования наиболее экономичных прокатных и гнутых профилей, изыскания и внедрения в строительство современных эффективных конструктивных форм и систем (пространственных, предварительно напряженных, висячих, трубчатых и т.п.), совершенствования методов расчета и изыскания оптимальных конструктивных решений с использованием современных расчетных комплексов («Лира», «Мираж» и др.). Эффективно и комплексно производственные требования удовлетворяются на основе типизации конструктивных элементов и целых сооружений. Типизация металлических конструкций получила весьма широкое развитие. Разработаны типовые решения часто повторяющихся конструктивных элементов — колонн, ферм, подкрановых балок, оконных и фонарных переплетов. В этих типовых решениях унифицированы размеры элементов и сопряжений. Для некоторых элементов разработаны стандарты. Разработаны типовые решения таких сооружений, как радиомачты, башни, опоры линий электропередачи, резервуары, газгольдеры, пролетные строения мостов, некоторые виды промышленных зданий, сооружений и т.п. Типовые решения разработаны на основе применения оптимальных с точки зрения затраты материала, размеров элементов, оптимальной технологии их изготовления и возможностей транспортирования. Типизация и проводимая на ее основе унификация и стандартизация обеспечивают большую повторяемость, серийность изготовления конструктивных элементов и их деталей на заводах и, следовательно, способствуют повышению производительности труда, сокращению сроков изготовления на основе эффективного использования более совершенного оборудования и специальных технологических приспособлений (кондукторов, кантователей и т.п.). Типизация, унификация и стандартизация создают благоприятные условия для разработки и внедрения особенно эффективного поточного метода изготовления и монтажа металлических конструкций. Типовые проекты обеспечивают экономию металла, упорядочивают проектирование, повышают его качество и сокращают сроки строительства. Ведущим принципом скоростного монтажа является сборка конструкций в крупные блоки на земле с последующим подъемом их в проектное положение с минимальным количеством монтажных работ наверху. Типизация создает предпосылки для сокращения сроков монтажа, снижения его трудоемкости, так как повторяющиеся виды конструкций и их сопряжений позволяют лучше использовать монтажное оборудование и совершенствовать процесс монтажа. 2.2 КРАТКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ При проектировании металлических конструкций необходимо соблюдать следующие требования: указания технических правил по экономному расходованию основных строительных материалов; выбирать оптимальные в технико-экономическом отношении конструктивные схемы зданий и сооружений, а также сечения элементов; максимально применять для зданий и сооружений унифицированные типовые или стандартные конструкции; применять прогрессивные, высокотехнологические конструкции при изготовлении и на монтаже (пространственные системы из однотипных, стандартных элементов; комбинированные конструкции, которые совмещают в себе несущие и ограждающие функции; предварительно напряженные, вантовые и тонколистовые конструкции и комбинированные конструкции из стали двух марок и из тонкостенных прокатных, гнутых и гнутосварных профилей); использовать конструкции, обеспечивающие наименьшую трудоемкость их изготовления, транспортирования и монтажа, позволяющие, как правило, поточное изготовление и их конвейерный или крупноблочный монтаж; предусматривать применение заводских соединений прогрессивных типов, в том числе: автоматической и полуавтоматической сварки, фланцевых соединений на болтах, с фрезерованными торцами, на высокопрочных болтах и др.; выполнять требования государственных стандартов, инструкций и технических условий на соответствующие конструкции, изделия и комплектующие детали. Принятые конструктивные схемы зданий и сооружений должны обеспечивать прочность, устойчивость и пространственную неизменяемость как здания или сооружения в целом, так и их отдельных элементов при транспортировании, монтаже и эксплуатации. Марки сталей, сплавов и материалов соединений, а также дополнительные требования к ним, предусмотренные государственными и международными стандартами или техническими условиями, указывают в рабочих и деталировочных чертежах, а также в документации на заказ материалов. Проектирование металлических конструкций должно начинаться с выбора рациональных конструктивных форм, обеспечивающих экономию металла, минимум трудоемкости изготовления и скоростной монтаж. Этого добиваются, сравнивая проектные варианты, охватывающие не только оценку различных конструктивных схем здания или сооружения в целом, но и отдельных его частей, узлов и т.д. Стоимость стальных конструкций распределяется следующим образом: стоимость профилей проката — 60 - 65 %, заводское изготовление 16 - 22 %, стоимость монтажа 5 - 20 %, эксплуатационные расходы около 2 %. Наиболее экономичной является обычно конструкция с наименьшим собственным весом, поэтому усилия проектировщиков и производственников направлены на создание новых и совершенствование существующих типов конструкций и изделий и меньшим расходом металла, на максимальную их унификацию и типизацию и повышение степени заводской готовности с учетом характеристик подъемно-транспортных средств. Работы наших ученых и опыт технически развитых зарубежных стран указывают на значительные возможности повышения технико-экономических показателей металлических конструкций более широким внедрением в строительство конструкций из низколегированных и высокопрочных сталей с применением эффективных профилей проката. Так, например, массу металлического каркаса одноэтажного промышленного здания можно значительно снизить, применяя фермы из тонкостенных трубчатых, гнутых и гнутосварных профилей, тавров и широкополочных двутавров, кровельных покрытий из штампованного настила с утеплителем из пенопласта, колонны и подкрановые балки из высокопрочных сталей. Такие стальные конструкции в 6 - 7 раз легче сборных железобетонных, трудоемкость их изготовления на 30 - 40 % меньше, а стоимость почти на 30 % ниже. Использование низколегированных сталей с пределом текучести 330 - 450 МПа при изготовлении колонн, ферм, подкрановых балок и других конструкций, резервуаров, газгольдеров, мостов и других сооружений обеспечивает не только повышение качества металлоконструкций, но и экономию металла в заменяемых частях по сравнению с обычной углеродистой сталью в среднем на 18 %. С увеличением пролетов и высоты сооружений, возрастанием технологических нагрузок эффективно применять стали высокой прочности с пределом текучести 600 - 750 МПа. Экономия металла в заменяемых частях в этом случае достигает в среднем 20 - 25 %. Особого внимания и более широкого внедрения заслуживают так называемые легкие металлические конструкции для покрытия зданий — трубчатые, крупноразмерные тонкостенные и др. По данным исследований ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко, при изготовлении стропильных ферм из трубчатых элементов достигается экономия стали 15—20 % в сравнении с фермами из обычных уголковых профилей той же марки стали, а если трубчатые элементы спроектировать из стали высокой прочности с пределом текучести 450—500 МПа, то расход стали сокращается на 35—40 %, трудоемкость — в 1,6 раза, а стоимость — почти на 20 %. Не менее эффективно применение трубчатых элементов для опор линий электропередачи, радиотелевизионных башен и других сооружений. В последние годы для перекрытий больших пролетов применяют пространственно-стержневые металлические конструкции, называемые структурными конструкциями (или системами). Структурные системы — это сочетание квадратных (ортогональная сетка), треугольных или шестиугольных ячеек. Эффективно применение структурных конструкций и в промышленных зданиях. К достоинствам структурных конструкций относятся: свободная расстановка опор и возможность перекрытия больших пролетов, небольшая высота (1/16 - 1/25 пролета) и большая жесткость конструкций, малая деформация, легкость и быстрота монтажа, сравнительно низкий расход металла. К недостаткам — высокая трудоемкость изготовления узловых соединений стержней. Эффективность этих конструкций будет выше, если в заводских условиях будут выполнены не только отдельные стержни, но и целые блоки и звенья для крупноблочного монтажа. Из других типов легких металлических конструкций следует отметить: тонкостенные прогоны — толщина стенки 3 - 3,5 мм (разработанные в ЦНИИПСК им. Мельникова), прогоны и балки с перфорированной стенкой, сквозные прогоны из трубчатых коробчатых и тонкостенных гнутых профилей, облегченные колонны постоянного сечения. Необходимо иметь в виду, что наиболее эффективно проектировать легкие металлические конструкции в сочетании с назначением для покрытия и стен также легких конструкций: облегченных алюминиевых панелей, утеплителей из пенополистирола и других плотностью 50 - 100 кг/м3, при применении которых значительно снижаются нагрузки от их собственного веса.   2.3 СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ Для проектирования любого здания или сооружения необходимо иметь задание на проектирование, выдаваемое заказчиком с учетом требований проектной организации. В некоторых случаях такое задание они составляют совместно. В этом задании указываются назначение объекта, район строительства, сроки ввода, стадии проектирования и другие требования. В соответствии с нормами установлен следующий порядок составления проектной документации: в две стадии — технический проект и рабочие чертежи, в одну стадию — технорабочий проект (технический проект, включающий и рабочие чертежи). В одну стадию проектируют сравнительно несложные объекты или ведут привязку типовых и повторно применяемых индивидуальных проектов. При двухстадийном проектировании путем сравнения выбирают наиболее экономичный в архитектурно-планировочном, конструктивном и технологическом решениях вариант; определяют номенклатуру изделий и конструкций, источники снабжения сырьем, энергией, водой, транспортные связи, канализационные сети и решают другие вопросы. Анализ решений завершают развернутой технико-экономической оценкой строительства: по стоимости на 1м2 или 1м3 здания или на 1м конструкции, по трудоемкости изготовления, массе конструкций, срокам возведения и т.д. Графическую часть технического проекта выполняют эскизно, но достаточно четко для пояснения рассматриваемых решений. Рабочие чертежи разрабатывают после утверждения технического проекта. Рабочие чертежи металлических конструкций выполняются проектной организацией на стадии КМ (конструкции металлические), включающей в себя подробные разработки компоновочных схем, конструктивных решений элементов и их сопряжений, а также спецификацию металла на все здание. По рабочим чертежам КМ на заводах-изготовителях разрабатывают деталировочные чертежи — стадия КМД (конструкции металлические, деталировка). В состав рабочих чертежей КМ входят: пояснительная записка, данные о нагрузках, статические и в необходимых случаях динамические расчеты, общие компоновочные чертежи, схемы расположения частей конструкций с таблицами сечений элементов, расчеты и чертежи наиболее важных узлов конструкций и полная спецификация металла по профилям. Чертежи КМД выполняют на металлические конструкции, отправляемые после изготовления с заводов на объекты строительства, поэтому они содержат все необходимые размеры, спецификации и указания по изготовлению. Перед выполнением чертежей КМД на заводе тщательно изучают чертежи КМ; уточняют технологичность конструкций, членение их на отправочные элементы, порядок и методы изготовления, способы соединений, защиту от коррозии и методы контроля качества изготовления. При необходимости завод-изготовитель предъявляет заказчику для согласования дополнительные технические требования (ДТТ) на изготовление конструкций, выбор марок стали, профилей проката и т.д. Разработка чертежей КМД — трудоемкий этап проекта, стоимость его включается в стоимость изготовления конструкций (15—20 %), поэтому проект КМ должен быть разработан так, чтобы на стадии КМД не вносить коррективы при изготовлении и монтаже конструкций.    3 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ 3.1 Свойства металлов Для строительных металлических конструкций используется в основном малоуглеродистая сталь и алюминиевые сплавы. Сталь обладает почти идеальным комплексом свойств для использования в строитель­ных конструкциях: сочетание прочности и пластичности, хорошая свариваемость, одно­родность механических свойств. Основные недостатки стали: относительно низкая корро­зионная стойкость и необходимость специальной защиты стальных конструкций от корро­зии, снижение пластических свойств при низких температурах, малая огнестойкость. К достоинствам алюминиевых сплавов относятся малая плотность (почти в 3 раза меньше, чем у стали) при относительно высокой прочности, повышенная стойкость против коррозии и сохранение высоких упругопластических свойств при низких темпе­ратурах. Однако низкий модуль упругости приводит к повышенной деформативности алюминиевых конструкций и ухудшает их устойчивость, а падение прочностных свойств алюминиевых сплавов при температуре 300 °C снижает огнестойкость. Надежность и долговечность металлических конструкций во многом зависят 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 сопротивляемость материала внешним силовым воздействиям без разрушения. Упругость — свойство материала восстанавливать свою первоначальную форму после снятия внешних нагрузок. Пластичность — свойство материала сохранять деформированное состояние после снятия нагрузки, т. е. получать остаточные деформации без разрушения. Хрупкость — способность разрушаться при малых деформациях. Ползучесть — свойство материала непрерывно деформироваться во времени без уве­личения нагрузки. Твердость — свойство поверхностного слоя металла сопротивляться упругой и пла­стической деформациям или разрушению при внедрении в него индентора из более твердого материала. Прочность металла при статическом нагружении, а также его упругие и пластиче­ские свойства определяются испытаниями на растяжение специально изготовленных образов. По результатам испытаний строят диаграмму испытуемого образца в координатах нагрузка (напряжения) - относительные деформации. (рисунок 3.1). Основными прочностными характеристиками стали являются временное сопротивление σu и предел текучести σт=Rу. Временное сопротивление σu – это наибольшее условное напряжение в процессе разрушения образца (предельная разрушающая нагрузка, отнесенная к первоначаль­ной площади поперечного сечения). Предел текучести – напряжение, при котором деформации образца растут без изменения нагрузки и образуется площадка текучести – металл «течет». Для металлов, не имеющих площадки текучести, определяется условный предел текучести σ0,2, т.е. такое напряжение, при котором остаточное относительное удлинение достигает 0,2 %. Рисунок 3.1 – Определение механических характеристик металла: а – диаграммы растяжения металлов; б – образец для испытания на растяжение; в – определение предела пропорциональности и предела упругости; 1 – алюминиевый сплав АМГ6; 2 – низкоуглеродистая сталь; 3 – чугун; 4 – высокопрочная сталь 12ГН2МФАЮ Для условий растяжения эта зависимость записывается так: σ = N/А; ε = ()100%, где N - нагрузка, А - первоначальная площадь поперечного сечения, l0 - первоначальная длина базовой (рабочей) части образца, Δl - абсолютное удлинение. Ударная вязкость является комплексным показателем, характеризующим состояние металла (хрупкое или вязкое), сопротивление динамическим (ударным) воздействиям и чувствительность к концентрации напряжений, и служит для сравнительной оценки качества материала. Склонность металла к хрупкому разрушению оценивается по результатам испытания на ударную вязкость на специальных маятниковых копрах. Под действием удара молота копра образец разрушается. Ударная вязкость КС определяется затраченной на разрушение образца работой, отнесенной к площади поперечного сечения, и измеряется в Дж/см2. Старением стали называется явление, когда с течением времени ее свойства несколько меняются: увеличиваются предел текучести и временное сопротивление, снижается пластичность, сталь становится более хрупкой. При изготовлении и монтаже металлических конструкций широко используются такие операции, как гибка, резка, строжка, сверление отверстий, связанные с процессами упругопластического изгиба, скалывания, обработки резанием, термическим воздействием. Для качественного выполнения этих операций металл должен иметь соответствующие технологические свойства. Так, повышенная твердость затрудняет сверление и механическую резку, недостаточная вязкость приводит к возникновению в гнутых деталях трещин, термическое воздействие ускоряет процесс старения металла и способствует его переходу в хрупкое состояние. Из физических характеристик металлов с точки зрения работы строительных конструкций наиболее важными являются плотность, модуль упругости при растяжении, модуль упругости при сдвиге, коэффициент поперечной деформации и коэффициент линейного расширения. Значения этих характеристик приведены в табл. 3.1. Таблица 3.1 Физические характеристики материалов, применяемых для металлических конструкций 3.2 Стали и алюминиевые сплавы Сталь – это сплав железа с углеродом, содержащий легирующие добавки, улучшающие качество металла, и вредные примеси, которые попадают в металл из руды или образуются в процессе выплавки. Классификация сталей. По прочностным свойствам стали условно подразделяются на три группы: обычной (σу<29 кН/см2), повышенной (σу = 29...40 кН/см2) и высокой прочности (σу >40 кН/см2). Повышение прочности стали достигается легированием и термической обработкой. По химическому составу стали подразделяются на углеродистые и легированные. Углеродистые стали обыкновенного качества состоят из железа и углерода с некоторой добавкой кремния (или алюминия) и марганца. В состав легированных сталей помимо железа и углерода входят специальные добавки, улучшающие их качество. Поскольку большинство добавок в той или иной степени ухудшают свариваемость стали, а также удорожают ее, в строительстве в основном применяются низколегированные стали с суммарным содержанием легирующих добавок не более 5 %. Основными легирующими добавками являются кремний (С), марганец (Г), медь (Д), хром (X), никель (Н), ванадий (Ф), молибден (М), алюминий (Ю), азот (А). Сталь, применяемая в строительных металлических конструкциях, производится в основном двумя способами: в мартеновских печах и конвертерах с продувкой кислородом. Для наиболее ответственных деталей, где требуется особо высокое качество металла, используются также стали, получаемые путем электрошлакового переплава (ЭШП). Электросталь отличается низким содержанием вредных примесей и высоким качеством. По степени раскисления стали могут быть кипящими (кп), полуспокойными (пс) и спокойными (сп). Нераскисленные стали кипят при разливке вследствие выделения газов. Такая сталь носит название кипящей и оказывается более загрязненной газами и менее однородной. Кипящие стали, имея достаточно хорошие показатели по пределу текучести и временному сопротивлению, хуже сопротивляются хрупкому разрушению и старению. Раскисленные стали не кипят при разливке, поэтому их называют спокойными. Спокойная сталь более однородна, лучше сваривается, лучше сопротивляется динамическим воздействиям и хрупкому разрушению. Спокойные стали применяются при изготовлении ответственных конструкций, подвергающихся динамическим воздействиям. Однако спокойные стали примерно на 12% дороже кипящих, что заставляет ограничивать их применение и переходить, когда это выгодно по технико-экономическим соображениям, на изготовление конструкций из полуспокойной стали. Полуспокойная сталь по качеству является промежуточной между кипящей и спокойной. По стоимости полуспокойные стали также занимают промежуточное положение. Основным стандартом, регламентирующим характеристики сталей для строительных металлических конструкций, является ГОСТ 27772–88. Согласно ГОСТу фасонный прокат изготовляют из сталей С235, С245, С255, С275, С285, С345, С345К, С375, для листового и универсального проката и гнутых профилей используются также стали С390, С390К, С440, С590, С590К. Стали С345, С375, С390 и С440 могут поставляться с повышенным содержанием меди (для повышения коррозионной стойкости), при этом к обозначению стали добавляется буква «Д». Прокат может поставляться как в горячекатаном, так и в термообработанном состоянии. Так, листовой прокат стали С345 может изготавливаться из стали с химическим составом С245 с термическим улучшением. В этом случае к обозначению стали добавляется буква Т, например С345Т. В зависимости от температуры эксплуатации конструкций и степени опасности хрупкого разрушения испытания на ударную вязкость для сталей С345 и С375 проводятся при разных температурах, поэтому они поставляются четырех категорий, а к обозначению стали добавляют номер категории, например С345-1; С345-2. Таблица 3.2 Механические характеристики сталей по ГОСТ 27772-88 для листового проката Нормируемые характеристики для каждой категории приведены в табл. 3.3. Таблица 3.3 Нормируемые характеристики сталей по категориям Строительные металлические конструкции изготавливаются также из сталей, поставляемых по ГОСТ 380-88 «Сталь углеродистая обыкновенного качества», ГОСТ 19281-73 «Сталь низколегированная сортовая и фасонная», ГОСТ 19282-73 «Сталь низколегированная толстолистовая и широкополосная универсальная» и другим стандартам. Принципиальных различий между свойствами сталей, имеющих одинаковый химический состав, но поставляемых по разным стандартам, нет. Разница в способах контроля и обозначениях. Так, по ГОСТ 380-88 с изменениями в обозначении марки стали указывается группа поставки, способ раскисления и категория. При поставке по группе А завод гарантирует механические свойства, по группе Б – химический состав, по группе В – механические свойства и химический состав. Степень раскисления обозначается буквами КП (кипящая), СП (спокойная) и ПС (полуспокойная). В обозначении марки стали указывается содержание основных элементов. Например, химический состав стали 09Г2С расшифровывается так: 09 — содержание углерода в сотых долях процента, Г2 — марганец в количестве от 1 до 2 %, С — кремний до 1 %. Недостатком низкоуглеродистых сталей обычной прочности (С235-С285) является склонность к хрупкому разрушению при низких температурах (особенно для кипящей стали С235), поэтому их применение в конструкциях, эксплуатирующихся при отрицательной температуре, ограничено. Однако благодаря невысокой стоимости и хорошим технологическим свойствам стали обычной прочности очень широко применяются для строительных металлических конструкций. Потребление этих сталей составляет свыше 50 % общего объема. Стали повышенной прочности (С345-С390) несколько хуже свариваются (особенно стали с высоким содержанием кремния) и требуют иногда использования специальных технологических мероприятий для предотвращения образования горячих трещин. Однако высокое значение ударной вязкости сохраняется при температуре -40 °C и ниже позволяет использовать эти стали для конструкций, эксплуатируемых в северных районах. За счет более высоких прочностных свойств применение сталей повышенной прочности приводит к экономии металла до 20 —25 %. При изготовлении конструкций из стали высокой прочности (С440-С590) могут возникнуть определенные трудности. Высокая прочность и низкая пластичность требуют более мощного оборудования для резки, правки, сверления и других операций. При сварке термообработанных сталей вследствие неравномерного нагрева и быстрого охлаждения в разных зонах сварного соединения происходят различные структурные превращения. Разупрочнение стали в околошовной зоне может достигать 5-30%, что необходимо учитывать при проектировании сварных конструкций из термообработанных сталей. Применение сталей высокой прочности приводит к экономии металла до 25-30 % по сравнению с конструкциями из низкоуглеродистых сталей и особенно целесообразно в большепролетных и тяжело нагруженных конструкциях. В конструкциях, совмещающих несущие и ограждающие функции (например, мембранные покрытия), широко применяются атмосферостойкие стали (С345К, ОХ18Т1Ф2). Алюминиевые сплавы. Алюминий по своим свойствам существенно отличается от стали. Его плотность р = 2,7 т/м3, т.е. почти в 3 раза меньше плотности стали. Модуль продольной упругости алюминия Е = 71 000 МПа, модуль сдвига G = 27 000 МПа, что примерно в 3 раза меньше, чем модуль продольной упругости и модуль сдвига стали. Алюминий не имеет площадки текучести. Алюминий очень пластичен: удлинение при разрыве достигает 40-50%, но прочность его весьма низкая: σu = 6...7 кН/см2, а условный предел текучести σ02 = 2...3 кН/см2. Чистый алюминий быстро покрывается прочной оксидной пленкой, препятствующей дальнейшему развитию коррозии. Вследствие весьма низкой прочности технически чистый алюминий в строительных конструкциях применяется довольно редко. Значительное увеличение прочности алюминия достигается путем легирования его магнием, марганцем, медью, кремнием, цинком и некоторыми другими элементами. Временное сопротивление легированного алюминия (алюминиевых сплавов) в зависимости от состава легирующих добавок в 2-5 раз выше, чем технически чистого; однако относительное удлинение при этом соответственно в 2-3 раза ниже. Конструкции из алюминия благодаря малой массе, стойкости против коррозии, хладностойкости, антимагнитности, отсутствию искрообразования, долговечности и хорошему виду имеют широкие перспективы применения во многих областях строительства. Однако из-за высокой стоимости использование алюминиевых сплавов в строительных конструкциях ограничено. 4 ОСНОВЫ РАСЧЕТА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ 4.1 Основные положения расчета металлических конструкций Проектирование металлических конструкций представляет собой многоэтапный процесс, включающий в себя выбор конструктивной формы, расчет и разработку чертежей для изготовления и монтажа конструкций. Целью расчета – второго основного этапа проектирования металлических конструкций – является строгое обоснование габаритных размеров конструкций, а также размеров поперечных сечений элементов и их соединений, обеспечивающих заданные условия эксплуатации в течение всего срока с необходимой надежностью и долговечностью при минимальных затратах материалов и труда на их создание и эксплуатацию. Эти требования часто противоречат друг другу (например, минимальный расход металла и надежность), поэтому реальное проектирование является процессом поиска оптимального конструктивного решения. Расчет обычно состоит из следующих этапов: установление расчетной схемы, сбор нагрузок, определение усилий в элементах конструкций, подбор сечений и проверка допустимости напряженно-деформированного состояния конструкции в целом, ее элементов и соединений. Расчет конструкций по предельным состояниям. Предельным называется состояние конструкции, при котором она перестает удовлетворять эксплуатационным требованиям. В соответствии с характером предъявляемых к конструкции требований различают первое и второе предельные состояния. Первая группа предельных состояний включает в себя потерю несущей способности и (или) полную непригодность конструкции к эксплуатации вследствие потери устойчивости, разрушения материала, превращения конструкции в геометрически изменяемую систему элементов (механизм), качественное изменение конфигурации, чрезмерное развитие пластических деформаций. Вторая группа предельных состояний характеризуется затруднением нормальной эксплуатации сооружений или снижением долговечности вследствие появления недопустимых перемещений (прогибов, осадок опор, углов поворота, колебаний, трещин и т.п.). Расчетные формулы для подбора сечений и проверки несущей способности конструкций по первому предельному состоянию получаются из основного неравенства N≤S, где N – предельное наибольшее усилие в конструкции, вызываемое внешними воздействиями; S – предельная наименьшая несущая способность конструкции, зависящая от прочности материала, размеров поперечного сечения и условий ее работы. Второе предельное состояние ограничивает максимальные перемещения конструкций в условиях нормальной эксплуатации, т.е. перемещения определяются от нормативных нагрузок. 4.2 Нагрузки и их сочетания Нагрузки подразделяются на постоянные и временные. Временные, в свою очередь, могут быть длительными и кратковременными. Постоянные нагрузки – собственная масса несущих и ограждающих конструкций, давление грунта, предварительное напряжение. Временные длительные нагрузки – масса стационарного технологического оборудо­вания, масса складируемых материалов в хранилищах, давление газов, жидкостей и сыпучих материалов в соответствующих емкостях и т. п. Кратковременные нагрузки – нормативные значения нагрузок от снега, ветра, под­вижного подъемно-транспортного оборудования, массы людей, животных и т.п. Полезными обычно называют нагрузки, восприятие которых составляет целевое на­значение сооружений, например, масса людей для пешеходного моста. Особые нагрузки – сейсмические воздействия, взрывные воздействия, нагрузки, возникающие в процессе монтажа конструкций, нагрузки, связанные с поломкой тех­нологического оборудования и резким нарушением технологического процесса, воз­действия, обусловленные деформациями основания в связи с коренными изменения­ми структуры грунта (замачивание просадочных грунтов, осадка грунтов в карстовых районах и над подземными выработками). При действии на конструкцию нескольких видов нагрузок усилия в ней определяются при самых неблагоприятных сочетаниях с использованием соответствующих коэффициентов сочетаний ψ. Различают: основные сочетания, состоящие из постоянных и временных нагрузок; особые сочетания, состоящие из постоянных, временных и одной из особых нагру­зок. При основном сочетании, включающем только одну временную нагрузку, коэффи­циент сочетания ψ = 1. При большем числе учитываемых временных нагрузок последние умножаются на коэффициенты сочетаний ψ<1, значения которых регламентируются СНиПом или специальными условиями проектного задания. В особых сочетаниях временные нагрузки учитываются с коэффициентом сочетаний ψ< 1, а особая нагрузка – с коэффициентом ψ = 1. Во всех видах сочетаний постоянная нагрузка имеет коэффициент ψ = 1. В соответствии с нормами проекти­рования различают также расчетные (наибольшие) величины воздействий F и нормативные Fn (нормального режима эксплуатации). Эти величины связаны между собой с помо­щью коэффициента надежности по нагрузке γf т.е. F= Fn γf. Коэффици­енты надежности по нагрузке γf колеблятся от 1,05 для массы металлических конструкций до 1,43 для снега. 4.3 Критерии выбора стали для конструкций Выбор стали производится на основе вариантного проектирования и технико-экономического анализа с учетом рекомендаций норм. В целях упрощения заказа металла при выборе стали следует стремиться к большей унификации конструкций, сокращению числа сталей и профилей. Выбор стали зависит от следующих параметров, влияющих на работу материала: температуры среды, в которой монтируется и эксплуатируется конструкция. Этот фактор учитывает повышенную опасность хрупкого разрушения при пониженных температурах; характера нагружения, определяющего особенность работы материала и конструкций при динамической, вибрационной и переменной нагрузках; вида напряженного состояния (одноосное сжатие или растяжение, плоское или объемное напряженное состояние) и уровня возникающих напряжений (сильно или слабо нагруженные элементы); способа соединения элементов, определяющего уровень собственных напряжений, степень концентрации напряжений и свойства материала в зоне соединения; толщины проката, применяемого в элементах. Этот фактор учитывает изменение свойств стали с увеличением толщины. В зависимости от условий работы материала все виды конструкций подразделяются на четыре группы. К первой группе относятся сварные конструкции, работающие в особо тяжелых условиях или подвергающиеся непосредственному воздействию динамических, вибрационных или подвижных нагрузок (например, подкрановые балки, балки рабочих площадок или элементы эстакад, непосредственно воспринимающих нагрузку от подвижных составов, фасонки ферм и т.д.). Напряженное состояние таких конструкций характеризуется высоким уровнем и большой частотой загружения. Конструкции первой группы работают в наиболее сложных условиях, способствующих возможности их хрупкого или усталостного разрушения, поэтому к свойствам сталей для этих конструкций предъявляются наиболее высокие требования. Ко второй группе относятся сварные конструкции, работающие на статическую нагрузку при воздействии одноосного и однозначного двухосного поля растягивающих напряжений (например, фермы, ригели рам, балки перекрытий и покрытий и другие растянутые, растянуто-изгибаемые и изгибаемые элементы), а также конструкции первой группы при отсутствии сварных соединений. Общим для конструкций этой группы является повышенная опасность хрупкого разрушения, связанная с наличием поля растягивающих напряжений. Вероятность усталостного разрушения здесь меньше, чем для конструкций первой группы. К третьей группе относятся сварные конструкции, работающие при преимущественном воздействии сжимающих напряжений (например, колонны, стойки, опоры под оборудование и другие сжатые и сжато-изгибаемые элементы), а также конструкции второй группы при отсутствии сварных соединений.  К четвертой группе относятся вспомогательные конструкции и элементы (связи, элементы фахверка, лестницы, ограждения и т.п.), а также конструкции третьей группы при отсутствии сварных соединений. Если для конструкций третьей и четвертой групп достаточно ограничиться требованиями к прочности при статических нагрузках, то для конструкций первой и второй групп важна оценка сопротивления стали динамическим воздействиям и хрупкому разрушению. В материалах для сварных конструкций обязательно следует оценивать свариваемость. Требования к элементам конструкций, не имеющих сварных соединений, могут быть снижены, так как отсутствие полей сварочных напряжений, более низкая концентрация напряжений и другие факторы улучшают их работу. В пределах каждой группы конструкций в зависимости от температуры эксплуатации к сталям предъявляются требования по ударной вязкости при различных температурах. В нормах содержится перечень сталей в зависимости от группы конструкций и климатического района строительства. Окончательный выбор стали в пределах каждой группы должен выполняться на основании сравнения технико-экономических показателей (расхода стали и стоимости конструкций), а также с учетом заказа металла и технологических возможностей завода-изготовителя. В составных конструкциях (например, составных балках, фермах и т. п.) экономически целесообразно применение двух сталей: более высокой прочности для сильно нагруженных элементов (пояса ферм, балок) и меньшей прочности для слабо нагруженных элементов (решетка ферм, стенки балок). 5 СОРТАМЕНТ 5.1 Характеристика основных профилей сортамента Первичным элементом стальных конструкций является прокатная сталь, которая выплавляется на металлургических заводах. Прокатная сталь, применяемая в стальных конструкциях, подразделяется на две группы: сталь листовую (рисунок 5.1, а) – тонколистовую, толстолистовую, широкополосную, универсальную и просечно-вытяжную; сталь профильную (рисунок 5.1, б-з) – уголки, швеллеры, двутавры, тавры, трубы и т.п. Наличие сортаментов готовых прокатных профилей и их машинная обработка на заводах обеспечивают индустриальное изготовление конструкций. Изготовленные на заводах металлических конструкций различные элементы конструкции (балки, колонны, фермы и т.п.) собираются на строительных площадках в конструктивные комплексы – сооружения. Перечень прокатных профилей с указанием формы, геометрических характеристик, массы единицы длины, допусков и условий поставки называется сортаментом. Разнообразие видов профилей, входящих в сортамент, а также достаточно частая градация размеров одного вида профиля обеспечивают экономичное проектирование конструкций при возможности создания разнообразных конструктивных форм. Коэффициент градации (отношение площади сечения данного профиля Аn и площади сечения ближайшего меньшего Аn-1 в каждом сортаменте имеет переменное значение. В области наиболее применяемых профилей коэффициент градации меньше. Рисунок 5.1 – Основные виды профилей: а – полоса; б – равнобокий уголок; в – неравнобокий уголок и швеллер; г –двутавр нор­мального профиля; д – широкополочный двутавр и тавр; е –составной сварной двутавр; ж – швеллер и двутавр с параллельными гранями полок; з – труба Стоимость разных профилей различна. Наиболее дешевыми являются листовая сталь, прокатные двутавры и швеллеры, что стимулирует их широкое применение. Применение при проектировании большого разнообразия профилей увеличивает объем работы на заводах металлоконструкций по сортировке, складированию, транспортировке, правке профилей и т. п. В целях уменьшения объема работ при изготовлении конструкций введены сокращенные сортаменты, составленные для проектирования строительных конструкций из наиболее употребительных и экономичных профилей. 5.2 Основные виды сортамента Листовая сталь. Листовая сталь широко применяется в строительстве. Она поставляется в пакетах и рулонах и классифицируется следующим образом. Сталь толстолистовая (ГОСТ 19903 — 74). Сортамент этой стали включает в себя листы толщиной от 3 до 160 мм, шириной от 600 до 3800 мм. Однако ходовая ширина ее обычно не превышает 2400 мм. Листовая горячекатаная сталь поставляется в листах длиной до 6-12 м и толщиной до 160 мм или в рулонах толщиной от 1,2 до 12 мм и шириной от 500-2200 мм. Листы толщиной от 6 до 26 мм имеют градацию по толщине через 1 мм, далее через 2; 3 и 5 мм. Толстолистовая сталь имеет широкое применение в листовых конструкциях, а также в элементах сплошных систем (балках, колоннах, ра­мах и т.п.). Сталь тонколистовая до 4 мм прокатывается холодным и горячим способами. Холодно­катаная сталь (ГОСТ 19904-90) значительно дороже горячекатаной (ГОСТ 19903-74). Тонкая листовая сталь применяется при изготовлении гнутых и штампованных тонко­стенных профилей, для кровельных покрытий и т.п. Из холоднокатаной, оцинкован­ной, рулонированной стали изготовляются профилированные настилы. Сталь широкополосная универсальная (ГОСТ 82-70) благодаря прокату между че­тырьмя валками имеет ровные края. Толщина такой стали от 6 до 60 мм, ширина от 200 до 1050 мм и длина от 5 до 12 м. Применение универсальной стали уменьшает трудоем­кость изготовления конструкций, так как не требуются резка и выравнивание кромок строжкой. Сталь рифленая (ГОСТ 8568-77) и просечно-вытяжная (ГОСТ 8706-58) приме­няется для ходовых площадок. Уголковые профили. Уголковые профили прокатывают в виде равнополочных (ГОСТ 8509-86) и нерав­нополочных (ГОСТ 8510-86) уголков. Сортамент уголков весьма разно­образен: от очень малых профилей с площадью сечения 1-1,5 см2 до мощных профи­лей с площадью сечения 140 см2. Полки уголков имеют параллельные грани, что облегчает конструирование. Широкое применение уголки имеют в легких сквозных конструкциях. Рабочие стержни из уголков обычно компонуются в симметричные сечения из двух или четырех уголков (рисунок 5.2, а). Более экономичны уголки с меньшими толщинами полок. В сжатых стержнях сечения, составленные из тонких уголков, обладают большей устойчивостью. В стержнях с отверстиями для бол­тов ослабление сечения отверстиями тем меньше, чем тоньше полки. Швеллеры. Геометрические характеристики сечения швеллеров определяют­ся его номером, который соответствует высоте стенки швеллера (в см). Сортамент (ГОСТ 8240-89) включает в себя швеллеры от № 5 до № 40 с уклоном внутренних граней полок. Уклон внутренних граней полок затрудняет констру­ирование. В ГОСТ входят и швеллеры с параллельными гранями полок, сечения кото­рых имеют лучшие расчетные характеристики относительно осей х и у более конструк­тивны, так как упрощают болтовые крепления к полкам. Швеллеры применяются в мощных стержневых конструкциях (мостах, большепролетных фермах и т.п.), а также в колоннах, связях и кровельных прогонах. Рисунок 5.2 – Компоновка сечений стержней из прокатных профилей: а – симметричное из равнобоких угол­ков, крестовое, трубчатое; б – из швел­леров; в – из двутавров и швелеров Двутавры – основной балочный профиль – имеют наибольшее разнообразие по ти­пам, которые соответствуют определенным областям применения. Балки двутавровые обыкновенные (ГОСТ 8239-89), как и швеллеры, имеют уклон внутренних граней полок и обозначаются номером, соответствующим их высоте в см. В сортамент входят профили от № 10 до № 60. Стенки у крупных двутавров имеют минимальную толщину и по условиям устойчиво­сти достигают 1/55 высоты двутавра. Чем тоньше стенка, тем выгоднее сечение балки при работе ее на изгиб. Однако по условиям технологии прокатки у большинства дву­тавров стенки получаются значительно толще, чем это требуется по условию их устой­чивости. Благодаря сосредоточению материала в полках двутавры имеют большую жест­кость относительно оси х, но небольшая ширина полок делает их малоустойчивыми относительно оси у. Двутавры применяются в изгибаемых элементах (балках), а также в ветвях решетчатых колонн и различных опор, где для обеспечения их устойчивости применяются составные сечения. Балки двутавровые широкополочные (ГОСТ 26020-83) имеют параллельные грани полок. Широкополочные двутавры прокатываются трех типов: нормаль­ные двутавры (Б), широкополочные двутавры (Ш), колонные двутавры (К). Высота балочных профилей (Б) достигает 1000, (Ш) – 700 и (К) – 400 мм при отношениях ширины полок к высоте от b/h = 1:1,65 (при малых высотах) до b/h = 1:1,25 (при больших высотах). Колонные профили (К) имеют отношение ширины полок к высоте, близкое к 1:1, что придает им устойчивость относительно оси у. Конструктивные преимущества (параллельность граней полок и мощность сечений) позволяют применять широкополочные двутавры в виде самостоятельного элемента (балки, колонны, стержни тяжелых ферм), не требующего почти никакой обработки, что снижает трудоемкость изготовления конструкций в 2 – 3 раза. Из широкополочных двутавров путем разрезки стенки в продольном направлении получают тавровые профили (БТ), (ШТ) и (КТ), удобные для примене­ния в решетчатых конструкциях. По мере расширения производства широкополочных двутавров применение обыкновенных двутавров сокращается. Развитие автоматической сварки создает благоприятные условия для производства сварных двутавров из универсальной стали по определенному сортаменту, что дает воз­можность пользоваться ими так же, как и прокатными. Тонкостенные профили. Тонкостенные двутавры (ТУ 14-2-205-76) и швеллеры (ТУ 14-2-204-76) прокатываются на непрерывном стане с особо тонкими стенками и полками, что делает их экономичнее обычных прокатных профилей на 14-20 %. Тонкостенные про­фили имеют высоту от 120 до 300 мм и полки с параллельными гранями. Применяются тонкостенные профили в балках площадок, фахверках, легких перекрытиях и покрытиях. Трубы. Стальные трубы, применяемые в строительстве, бывают круглыми – горячекатаными (ГОСТ 8732-78 с изм.) и электросварными (ГОСТ 10704-76). Трубчатые профили особенно экономичны при применении в сжа­тых элементах благодаря наибольшему значению радиуса инерции при заданной пло­щади сечения. Горячекатаные бесшовные трубы имеют диаметр от 25 до 550 мм с толщиной стенок от 2,5 до 75 мм. Эти трубы применяются главным образом в конструкциях радио- и телевизионных опор. Круглые электросварные трубы имеют диаметр от 8 до 1420 мм с толщиной стенок от 1 до 16 мм. Эти трубы применяются в трубопроводах, элементах радио- и телевизион­ных опор и конструкциях покрытий, особенно в зданиях с агрессивной средой. Холодногнутые профили. Гнутые профили изготовляются из листа, ленты или полосы толщиной от 1 до 8 мм и могут иметь самую разнообразную форму (рисунок 5.3). Наиболее употребительны уголки равнополочные (ГОСТ 19771-74), неравнополочные (ГОСТ 19772-74), швеллеры (ГОСТ 8278-83), гнуто-сварные профили замкнутые квадратного (ТУ 36-2287-80) и прямоугольного (ТУ 36-2286-80 с изм.) сечений и оцинкованные профилированные настилы (ГОСТ 24045-86). Основная область применения этих профилей – легкие конструкции покрытий зданий, где они, заменяя прокатные профили, могут дать эко­номию металла до 10 %. Рисунок 5.3 – Типы гнутых профилей Различные профили и изделия из металла, применяемые в строительстве. В сравнительно меньшем объеме применяются в металлических конструкциях про­фили других конфигураций и стальные материалы разного назначения (стальные кана­ты и высокопрочная проволока): двутавровые профили для подвесного транспорта (ГОСТ 19425-74), крановые рельсы (ГОСТ 4121-76 с изм.), канаты стальные спиральные (ГОСТ 3062-80; 3063-80; 3064-80), канаты двойной свивки (ГОСТ 3066-80; 3067-74 с изм.; 3068-74 с изм.; 3081-80; 7669-80 с изм.; 14254-80), пучки и пряди из канатной проволоки (ГОСТ 7372-79 с изм.), профили для оконных и фонарных пере­плетов (ГОСТ 7511-73), сталь листовая волнистая (ГОСТ 3685-71), сталь квадратная а = 5... 100 мм (ГОСТ2591-88), сталь круглая d = 6...200 мм (ГОСТ 2590-88), сталь полосовая b = 12...200 мм, t= 4...60 мм (ГОСТ 103-76), сталь рифленая (ГОСТ 8568-77), сталь просечно-вытяжная (ГОСТ 8706-58). Кроме того, изготавливаются также трубы специального назначения. Профили из алюминиевых сплавов. Строительные профили из алюминиевых сплавов (рисунок 5.4), получают прокаткой, прессованием или литьем. Листы, ленты и плиты прокатываются в горячем или холод­ном состояниях. Листы прокатывают толщиной до 10,5 мм, шириной до 2000 мм и длиной до 7 м. Фасонные профили, в том числе и полые (трубчатые), изготовляют горячим прессованием на гидравлических прессах. Рисунок 5.4 – Типы профилей из алюминиевых сплавов без бульб (а), с бульбами (б), трубчатые (в) 5.3 Правила выбора профилей при проектировании конструкций 1. При проектировании строительных стальных конструкций следует компоновать каждый элемент и весь объект в целом из минимально необходимого числа различных профилей. 2. Применяемые в одном отправочном элементе уголки, тавры, полосы одного номинального размера, но разной толщины должны иметь разность толщин одноименных профилей не менее 2 мм. 3. Не допускается применять в одном отправочном элементе одинаковые профиле-размеры из разных марок сталей. 4. Применение в одном объекте профилированных листов одной номинальной высоты разной толщины не допускается. Рассмотрение различных критериев эффективности профиля при работе на изгиб и сжатие показало, что решающую роль имеет «тонкостенность» профиля – отношение его высоты к толщине h/t , чем оно больше, тем профиль эффективнее. Для прокатных профилей технология прокатки ограничивает толщину стенки 4-6 мм, поэтому применение тонкостенных сварных балок для изгибаемых элементов, а также гнутосварных коробчатых профилей для сжатых элементов может оказаться более эффективным, чем применение прокатных профилей, так как толщина стенки в них не ограничена прокатом. 6 СОЕДИНЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ 6.1 Сварные соединения Сваркой называется процесс получения неразъемных соединений путем установления межатомных связей между соединяемыми элементами при их местном нагревании или пластической деформации или совместном действии того и другого, обеспечивающий необходимую прочность и пластичность сварного соединения. Различают три класса сварки: термический, термомеханический и механический. К термическому классу относятся виды сварки, осуществляемые плавлением: электродуговая, электрошлаковая, электронно-лучевая, плазменная, световая, газовая, термитная и др. К термомеханическому классу относятся виды сварки, при которых используются тепловая энергия и давление: контактная, диффузионная, индукционно-прессовая, газопрессовая, термокомпрессионная, печная, кузнечная и др. К механическому классу относятся виды сварки, производимые с использованием различны видов механической энергии и давления: холодная, взрывом, ультразвуковая, трением, магнитно-импульсная. Основная доля сварных соединений в строительстве выполняется электродуговой сваркой: ручной, механизированной и автоматической. Ручная дуговая сварка (РДС) в строительстве производится покрытыми металлическими электродами диаметром от 2 до 6 мм. Источниками сварочного тока могут быть сварочные трансформаторы переменного тока, выпрямители, инверторы и генераторы постоянного тока. РДС применяется на заводах по изготовлению металлических и железобетонных конструкций, строительных и монтажных площадках. Преимущества перед другими видами сварки: простота, дешевизна, мобильность оборудования, высокое качество металла шва, равнопрочность шва и основного металла, возможность выполнения сварки в труднодоступных местах и во всех пространственных положениях. Недостаток – сравнительно невысокая производительность. Покрытие электрода служит: • для стабилизации устойчивого горения дуги за счет поступающих из покрытия легкоионизирующихся элементов калия, натрия, кальция и др.; • защиты зоны сварки и жидкого металла от атмосферы; • рафинирования (очистка металла шва от вредных примесей (серы и фосфора); • раскисления металла шва (восстановления окислов железа); • легирования металла шва марганцем, кремнием, никелем, хромом, титаном для повышения прочностных, пластических и коррозионных свойств шва. Механизированная дуговая сварка в углекислом газе и порошковой проволокой (полуавтоматическая сварка). При механизированной дуговой сварке электродная проволока подается в зону сварки механизмом подачи, а перемещение дуги вдоль свариваемых кромок сварщик выполняет вручную. Для защиты зоны сварки и ванны жидкого металла от атмосферы используется углекислый газ. Обеспечивает высокое качество шва при достаточно высокой производительности. Сварку можно производить в любом пространственном положении. К недостаткам относится невозможность сварки средне- и высоколегированных сталей из-за выгорания легирующих элементов. Автоматическая сварка под флюсом (АДСФ). При этом виде сварки электродная проволока подается в зону сварки с помощью механизма подачи, а перемещение дуги вдоль свариваемых кромок осуществляется механизмом перемещения. Для защиты жидкого металла сварочной ванны от атмосферы используют флюс, который засыпают впереди дуги из бункера слоем толщиной 30–40 мм и шириной 40–100 мм (чем больше толщина свариваемого металла, тем больше толщина и ширина слоя флюса). АДСф – высокопроизводительный процесс, обеспечивающий высокое качество шва, позволяющий варить большие толщины длинномерных изделий, но только в нижнем положении и «в лодочку». Электрошлаковая сварка (ЭШС). При ЭШС процесс плавления основного и электродного металла происходит за счет тепла, выделяемого в расплавленном флюсе-шлаке при прохождении через него электрического тока, который поддерживает в жидкой шлаковой ванне температуру около 2000—2500 °C. Этим способом осуществляется сварка деталей вертикальными швами с принудительным формированием шва. Минимальная толщина металла элементов, образующих стыковое соединение при ЭШС без усложнения технологии проведения сварки, находится в пределах 25 – 30 мм. Недостатки: производство сварки только в вертикальном положении, снижение прочностных и пластических свойств металла околошовной зоны, зоны термического влияния из-за длительного пребывания при повышенных температурах. Термомеханический класс сварки. Контактная сварка представляет собой процесс, при котором соединение свариваемых элементов осуществляется за счет тепла, выделяющегося в месте их контакта при прохождении электрического тока и давления. Основные виды контактной сварки: стыковая, точечная. Основные типы сварных соединений и швов. Сварным соединением, как конструктивным элементом, называют участок конструкции, в которой отдельные ее элементы соединены с помощью сварки. Сварные швы могут быть стыковыми и угловыми. Угловой шов – это шов углового, нахлесточного и таврового сварного соединения (рисунок 6.1). Короткие швы, применяемые для фиксации взаимного расположения подлежащих сварке деталей, называются прихватками. Рисунок 6.1 – Основные виды сварных соединений: а – стыковые; б – нахлесточные; в – тавровые; г –угловые; д –торцевые Стыковые соединения являются наиболее распространенными, так как дают наименьшую концентрацию напряжений, а также высокую прочность при статических и динамических нагрузках. Они применяются при сварке в конструкциях из листового металла и при стыковке уголков, швеллеров, двутавров, труб и т.д. По протяженности швы могут быть непрерывными и прерывистыми, цепными и шахматными, а по отношению к направлению действия усилий – фланговыми, лобовыми, комбинированными и косыми. Рисунок 6.2 – Классификация сварных швов: I – по положению в пространстве: а – нижнее; б – горизонтальное; в – вертикальное; г – потолочное; д – «в лодочку»; II – по протяженности: е – цепной; ж – шахматный; III – по отношению к направлению действия усилий: з – фланговый; и – лобовой; к –комбинированный; л – косой Сварка конструктивных элементов может выполняться в различных пространственных положениях в зависимости от конструкции узла (изделия) и технологии его изготовления. Различают пять положений: нижнее, горизонтальное на вертикальной плоскости, вертикальное, потолочное и в «лодочку». По форме разделки кромок различают следующие основные типы швов: с отбортовкой кромок, без разделки кромок, односторонние и двусторонние; с разделкой кромок – односторонние и двусторонние (рисунок 6.3). В связи с важностью правильной подготовки свариваемых кромок с точки зрения качества, экономичности, прочности и работоспособности сварного соединения государственные стандарты регламентируют форму и конструктивные элементы разделки и сборки кромок под сварку и размеры готовых сварных швов. Рисунок 6.3 – Разделка кромок под сварку элементов различной толщины Неравномерное и несвободное изменение размеров при изменении температуры в процессе сварки соединений приводит к возникновению напряженно-деформированного состояния конструкции (изделия). Чтобы форма и размеры конструкций после сварки соответствовали проектным, при их изготовлении применяется ряд мероприятий, которые сводятся к тому, чтобы компенсировать пластическую деформацию, развивающуюся при сварке. Мероприятия могут быть предварительными, сопутствующими и последующими, т.е. проводиться после сварки. К основным мероприятиям относятся следующие: • увеличение жесткости путем специальных закреплений свариваемых элементов (кондукторы, кассеты и т.п.); • создание деформаций обратного знака до сварки (обратный выгиб и т.п.); • пластическое деформирование обратного знака (растяжение металла шва и околошовной зоны – прокатка, проколачивание и т.п.); • местный подогрев, обычно применяемый в целях уменьшения неравномерности распределения температуры при сварке; • применение правильного порядка сварки – первыми следует делать швы, ближе всего расположенные к центру тяжести сечения свариваемого элемента; • механическая правка деформированных изделий. Расчет сварных соединений. При расчете сварных соединений прежде всего необходимо учитывать вид соединения, способ сварки (автоматическая, полуавтоматическая, ручная) и сварочные материалы, соответствующие основному материалу конструкции. Расчет стыковых сварных соединений. Расчет стыковых сварных соединений при действии осевой силы N, проходящей через центр тяжести соединения, выполняют по формуле: где t – наименьшая из толщин соединяемых элементов; lw – расчетная длина, равная полной его длине, уменьшенной на 2t, или полной его длине, если концы шва выведе­ны за пределы стыка (например, на технологические планки; Rwy – расчет­ное сопротивление стыковых сварных соединений по пределу текучести; γс – коэффициент условия работы. В расчётах стыковых соединений при сжатии, растяжении, изгиба, выполненных с помощью электросварки с применением физического контроля качества швов принимаются прочностные характеристики по пределу текучести , по временному сопротивлению . При расчёте на растяжение и изгиб без применения физического контроля качества швов предел текучести занижают на 15%: . При расчёте на сжатие без физического контроля . Для того чтобы соедине­ние было равнопрочным основному элементу, длина шва должна быть больше размера b, поэтому в соединении применяют косой шов. Косой шов с наклоном реза α при tgα = 2:1, как правило, равнопрочен с основным металлом и поэтому не требует проверки прочности. При расчёте на сдвиг расчётное сопротивление шва сдвигу принимается равным Rws=Rs. При невозможности обеспечить полный провар, толщина шва уменьшается на 30%, т.е. = 0,7𝑡. Сварные стыковые соединения, выполненные без применения физических методов контроля качества, при одновременном действии в шве нормальных напряжений, σwx и σwу, действующих по взаимно перпендикулярным направлениям х и у, и касательных напряжений τwху, следует проверять по формуле: Расчет соединений с угловыми швами. Разрушение сварных соединений с угловыми лобовыми и фланговыми швами возможно как по металлу шва, так и по металлу границы сплавления. Несмотря на то что угловые швы работают всегда в условиях сложного напряженного состояния, характер их разрушения показывает, что доминирующим напряжением является срезывающее. Поэтому технические нормы и правила допускают производить расчет на срез, названный условным срезом. Расчетная площадь сечения шва при разрушении по металлу шва Awf = βfkflw, при разрушении по металлу границы сплавления Awz = βzkflw. Если то расчетным сечением является сечение по металлу шва и напряжение: Если , то проверка прочности соединения выполняется по металлу границы сплавления, тогда: Rwz=0,45Run, где N – усилие, проходящее через центр тяжести соединения; lw — расчетная длина шва в сварном соединении, равная суммарной длине всех его участков за вычетом 1 см; βf и βz– коэффициенты учитывающие проплавление металла при сварке. При расчете сварного соединения с угловыми швами на одновременное действие продольной силы N, поперечной силы Q и момента М должны быть также выполнены условия: τf≤Rwfγwfγc и τz≤Rwzγwzγc, где τf и τz – напряжения в расчетной точке сечения сварного соединения соответствен­но по металлу шва и металлу границы сплавления, определяемые по формуле: Конструктивные требования к сварным соединениям. Чтобы уменьшить сварочные деформации (искажение формы), следует стремиться к наименьшему объему сварки в конструкции, применяя швы наименьшей толщины (наименьшего катета), полученные по расчету или по конструктивным соображениям. Сварные стыки балок, колонн следует выполнять без накладок, встык, с двусторонней сваркой и полным проплавлением либо односторонней сваркой с подваркой корня шва или на подкладках, с выведением концов шва на технологические планки с последующей их обрезкой и зачисткой. Толщина стыковых швов принимается равной меньшей из толщин стыкуемых элементов. Швы различной толщины сваривают током разной величины, поэтому для упрощения сварочных работ в одной отправочной марке желательно иметь не более двух-трех различных толщин швов. 6.2 Болтовые соединения Болтовые соединения конструкций появились раньше сварных. Простота соединения и надежность в работе способствовали их широкому распространению в строительстве при монтаже металлических конструкций. Однако болтовые соединения более металлоемки, чем сварные, так как имеют стыковые накладки, а отверстия для болтов ослабляют сечения элементов. В соединениях стальных конструкций применяют обычные болты, высокопрочные и болты анкерные (фундаментные). Кроме обычных и высокопрочных болтов широкое распространение получили самонарезающие болты с окончанием, выполненным в виде сверла. С помощью таких болтов можно одновременно сверлить отверстие и нарезать резьбу. Болты обычные и высокопрочные используют для соединения элементов стальных конструкций друг с другом, а болты анкерные – для присоединения конструкций к фундаменту. Обычные болты бывают грубой, нормальной и повышенной точности или, соответственно, классов точности С, В и А, различаются допусками на отклонения диаметра болта от номинала. Для монтажных соединений применяют без расчета болты класса точности С, а для соединений, воспринимающих расчетные усилия, - болты класса точности В и А. Болты изготовляют диаметром 12 – 48 мм с длиной стержня 25 – 300 мм. Болты класса точности С (грубой точности) ставят в отверстия, диаметр которых на 2 – 3 мм больше диаметра стержня болта. Отклонение диаметра болта от номинала 1 мм. Такие соединения обладают наибольшей деформативностью. Болты класса точности В (нормальной точности) устанавливают в отверстия, диаметр которых на 1 – 1,5 мм больше диаметра стержня болта. Отклонение диаметра болта от номинала 0,52 мм. Такие соединения менее деформативны по сравнению с соединениями на болтах класса точности С и требуют более высокой точности при образовании отверстий в соединяемых элементах конструкций. Болты класса точности А (повышенной точности) устанавливают в отверстия, которые просверлены на проектный диаметр в собранных элементах, и их диаметр больше диаметра стержня болта на 0,25 – 0,3 мм, а сами болты имеют только минусовый допуск на диаметр стержня. Такие болты изготовляют точением и поэтому они имеют высокую стоимость. По прочности болты подразделяют на классы. Класс прочности болта обозначают двумя цифрами, разделенными точкой, например, 4.6, 5.8, 6.6. В обозначении класса прочности болта закодированы механические свойства материала болта: - первая цифра, умноженная на 10, обозначает минимальный предел прочности материала болта в кН/см2; - произведение чисел – предел текучести материала болта в кН/см2; - вторая цифра, умноженная на 100, обозначает соотношение Ryn/Run в %. Класс прочности указывают на головке болта выпуклыми цифрами. Расчет болтовых соединений. Основной вид работы болтовых (заклепочных) соединений – работа на сдвиг. При этом болты могут разрушаться от перерезывания их стержней по плоскости среза или смятия поверхностей отверстий сопрягаемых элементов. Силы смятия могут вызвать выкол между отверстием и краем элемента. Кроме того, болтовые соединения могут работать на растяжение. Расчетное усилие, воспринимаемое одним болтом, определяется по формуле: • из условия работы на срез; • из условия работы на смятие; - из условия работы на растяжение, где Rbs, Rbt, Rbp – расчетные сопротивления болтовых соединений, определяемые по таблицам 6.1, 6.2; A – площадь сечения стержня болта, А=πd2/4=0,785d2; Abn – площадь сечения болта нетто с учетом нарезки; Σt – наименьшая суммарная толщина элементов, сминаемых в одном направлении; ns – число расчетных срезов одного болта (на единицу меньше количества сопрягаемых элементов); γb – коэффициент условий работы соединения, принимаемый для многоболтовых соединений класса точности А – 1,0, класса точности В и С – 0,9; γс – коэффициент условий работы конструкции. Таблица 6.1 Расчетные сопротивления срезу и растяжению стальных болтов Число болтов n в соединении при действии сдвигающей силы N приложенной в центре тяжести соединения, определяют, предполагая работу всех болтов одинаковой: n = N/Nbmin; где Nbmin – наименьшее из значений расчетного усилия (на срез или смятие) для одно­го болта. Таблица 6.2 Расчетные сопротивления смятию стальных элементов, соединяемых болтами Таблица 6.3 Коэффициенты условий работы стальных болтовых соединений Высокопрочные болты (сдвигоустойчивые) изготовляют из легированной стали, готовые болты термически обрабатывают. Высокопрочные болты являются болтами нормальной точности (класс В), их ставят в отверстия большего диаметра, чем болт, но гайки затягиваются тарировочным ключом, позволяющим создавать и контролировать силу натяжения болтов. Большая сила натяжения болта плотно стягивает соединяемые элементы и обеспечивает монолитность соединения. При действии на такое соединение сдвигающих сил между соединяемыми элементами возникают силы трения, препятствующие сдвигу этих элементов относительно друг друга, именно поэтому подобное соединение часто называют фрикционным. Для улучшения работы соединения иногда применяют комбинированное клееболтовое соединение, в котором соединяемые поверхности склеивают специальными клеями, а затем стягивают высокопрочными болтами. Преимущества соединений на высокопрочных болтах в простоте устройства соединения; по качеству работы они не уступают сварным соединениям, но уступают по расходу металла. Соединения на высокопрочных болтах рассчитывают в предположении передачи действующих в стыках и прикреплениях усилий через трение, возникающее по соприкасающимся плоскостям соединяемых элементов от натяжения высокопрочных болтов. При этом распределение продольной силы между болтами следует принимать равномерным. Расчетное усилие Qbh, воспринимаемое поверхностью трения под одним высокопрочным болтом определяют по формуле , где Rbh=0,7Rbun – расчетное сопротивление растяжению высокопрочного болта; μ – коэффициент трения; γh – коэффициент надежности; Abn –площадь сечения болта нетто; γb - коэффициент условий работы соединения, принимаемый равным 0,8 при п < 5; 0,9 при 5 < п < 10 и 1 при п ≥ 10. Таблица 6.4 Коэффициенты трения и коэффициенты надежности соединений на высокопрочных болтах При действии продольной силы N число высокопрочных болтов в соединении п определяют по формуле n>N/(Qbhkγc), где k – число плоскостей трения; γс – коэффициент условия работы конструкции. Расчет на прочность соединяемых элементов, ослабленных отверстиями под высокопрочные болты, следует выполнять с учетом того, что половина усилия, приходящегося на каждый болт, в рассматриваемом сечении уже передана силами трения. При этом проверку ослабленных сечений следует производить при динамических нагрузках – по площади сечения нетто Ап, при статических нагрузках – по площади сечения брутто А, если Ап≥0,85А либо по условной площади Ас=1,18Ап , если Ап<0,85А. Болты располагают в соединении по прямым линиям – рискам, параллельным действующему усилию. Расстояние между двумя смежными рисками называется до­рожкой, а расстояние между двумя смеж­ными по риске болтами – шагом (рисунок 6.4). Рисунок 6.4 – Размещение отверстий для болтов в соединении: a – минимальные расстояния при рядовом (7) и шахматном (II) расположении болтов; б – максимальные расстояния при растяжении (I) и сжатии (II) элементов; 1 – окаймляющий уго­лок; в – размещение болтов в профильных элементах 6.3 Заклепочные соединения Заклепочные соединения, являющиеся в прошлом основным видом соединений металлических конструкций, из-за неудобств технологического процесса клепки (необходимость нагрева заклепок до температуры 800 °C) и перерасхода металла на соединение в настоящее время почти полностью вытеснены сваркой и высокопрочными болтами при монтаже. Они сохранили весьма ограниченное применение только в тяжелых конструкциях, подверженных воздействию динамических и вибрационных нагрузок, а также при использовании трудносвариваемых материалов. Заклепки изготовляют из специальной углеродистой или низколегированной стали, обладающей повышенными пластическими свойствами. Клепку ведут горячим и холодным способами. При использовании горячего способа разогретую до ярко-красного каления (Т ~ 800 °C) заклепку вставляют в отверстие и клепкой образуют замыкающую головку. Поставленная заклепка, остывая, стягивает соединяемые элементы, что существенно улучшает работу соединения на сдвигающие силы благодаря возникающим между слоями силам трения. При холодной клепке, выполняемой только на заводе, металл заклепки пластичес­ки деформируется клепальной скобой, образуя замыкающую головку. Сила стягивания заклепкой соединяемых элементов при этом получается значительно меньшей, однако сам процесс клепки более прост. Такой способ клепки часто используется при изготов­лении конструкций из алюминиевых сплавов. Работа заклепочных соединений на сдвиг носит промежуточный характер между работой обычных и высокопрочных (сдвигоустойчивых) болтов, так как силы стягива­ния пакета значительны, но недостаточны для восприятия сил сдвига только трением. Поэтому расчет их аналогичен расчету обычных болтов, а наличие сил трения учитыва­ется повышением расчетных сопротивлений. Таблица 6.5 Значение расчетного сопротивления заклепочного соединения 7 БАЛКИ И БАЛОЧНЫЕ КОНСТРУКЦИИ 7.1 Прокатные балки Балки являются основным и простейшим конструктивным элементом, работающим на изгиб. Их широко применяют в конструкциях гражданских, общественных и промыш­ленных зданий, в балочных площадках, междуэтажных перекрытиях, мостах, эстакадах, в виде подкрановых балок производственных зданий, в конструкциях гидротехнических шлюзов и затворов и других сооружениях. Широкое распространение балок определяется простотой конструкции, простотой изготовления и надежностью в работе. Мерой эффективности (по расходу материала), т.е. выгодности сечения балки как конструкции, работающей на изгиб, является отношение момента сопротивления к площади сечения, равное ядровому расстоянию, р = W/A. Сравнение ядровых расстояний круглого, прямоугольного и двутаврового сечений показывает, что двутавровое сечение выгоднее прямоугольно­го в 2,5 раза и круглого в 3,4 раза. В зависимости от нагрузки и пролета применяют балки двутаврового и швеллерного сечения, прокатные или составные: сварные, болтовые или клепаные. Пред­почтительны прокатные балки как менее трудоемкие, но ограниченность сортамента делает невозможным их применение при больших изгибающих моментах. Чаще применяются балки однопролетные разрезные: они наиболее просты в изго­товлении и удобны для монтажа. Однако по затрате металла они менее выгодны, чем неразрезные и консольные. Неразрезные балки благодаря наличию опорного момента, уменьшающего основные моменты в пролетах, более экономичны по затрате материа­ла. Однако их большая чувствительность к изменениям температуры и осадкам опор делают конструкции таких балок индивидуальными, немассовыми, а приме­нение их – сравнительно редким. Компоновка балочных конструкций. При проектировании конструкции балоч­ного перекрытия, рабочей площадки цеха, проезжей части моста или другой аналогич­ной конструкции необходимо выбрать систему несущих балок, обычно называемую балочной клеткой. Балочные клетки подразделяют на три основных типа: упрощенный, нормальный и усложненный (рисунок 7.1). В упрощенной балочной клетке (рисунок 7.1, а) нагрузка на перекрытие передается через настил на балки настила, располагаемые обычно параллельно меньшей стороне перекрытия на расстояниях а (шаг балок), и через них – на стены или другие несущие конструкции. В балочной клетке нормального типа (рис. 7.1, б) нагрузка с настила передается на балки настила, которые, в свою очередь, передают ее на главные балки, опирающиеся на колонны, стены или другие несущие конструкции. В усложненной балочной клетке (рис. 7.1, в) вводятся еще дополнительные вспо­могательные балки, располагаемые под балками настила и опирающиеся на главные балки. В балочной клетке этого типа нагрузка передается на опоры наиболее длинным путем. Рисунок 7.1 – Типы балочных клеток: а – упрощенный; б – нормальный; в – усложненный; 1 – балки настила; 2 – вспомогательные балки; 3 – главные балки Выбор типа балочной клетки связан и с вопросом о сопряжении балок между собой по высоте, определяющим строительную высоту перекрытия (расстояние между верхом и низом перекрытия). Сопряжение балок может быть поэтажное, в одном уровне и пониженное. При поэтажном сопряжении (рис. 7.2, а) балки, непосредственно поддерживающие настил, укладываются на главные или вспомогательные. При сопряжении в одном уровне (рис. 7.2, б) верхние полки балок настила и главных балок располагаются в одном уровне, а на них опирается настил. Пониженное сопряжение (рис. 7.2, в) применяется в балочных клетках усложненно­го типа. В нем вспомогательные балки примыкают к главной ниже уровня верхнего пояса главной, на них поэтажно укладывают балки настила, а на них и на главные балки укладывают настил. Рисунок 7.2 – Сопряжение балок: а – поэтажное; б – в одном уровне; в – пониженное Главные балки обычно опирают на колонны и располагают вдоль больших рассто­яний между ними. Расстояние между балками настила а определяется несущей способно­стью настила и обычно составляет 0,6-1,6 м при стальном и 2-3,5 м при железобе­тонном настиле. Расстояние между вспомогательными балками обычно назначается в пределах 2-5 м, оно должно быть кратно пролету главной балки и меньше ширины площадки. В качестве несущего настила чаще всего применяют плоские стальные листы или настил из сборных железобетонных плит. Расчет конструкции обычно состоит из следующих этапов: установление расчетной схемы, сбор нагрузок, определение усилий в элементах конструкции, подбор сечений и проверка напряженно-деформированного состояния конструкции в целом, ее элементов и соединений с целью не допустить ни одного из предельных состояний. Расчет на прочность балок в упругой стадии работы сечения выполняют по формулам: – при действии момента в одной из главных плоскостей , где Mmax – максимальныq изгибающий момент от расчетной нагрузки; Wn,min – момент сопротивления ослабленного сечения; – при действии в сечении поперечной силы где Q – максимальная поперечная сила от расчетной нагрузки; I – момент инерции сечения; S – статический момент сдвигаемой части сечения относительно нейтральной оси; tw – толщина стенки. При изгибе в двух главных плоскостях проверку сечения проводят по формуле где Mx и My –моменты относительно осей соотвественно x-x и y-y; Ix,n и Iy,n – моменты инерции относительно главных осей ослабленного сечения; x и y – координаты рассматриваемой точки сечения относительно главных осей. Расчет на прочность разрезных балок в упругопластической стадии работы двутаврового сечения из стали с нормативным сопротивлением Ry ≤ 440 МПа, несущих статическую нагрузку, при передаче нагрузки через сплошной жесткий настил, непрерывно опирающийся на сжатый пояс балки и надежно с ним связанный (плоский металлический настил, железобетонные плиты и т.п.), и при ограничении касательных напряжений в месте максимального момента  = Q/Aw  0,9Rs (кроме опорных сечений) при изгибе в плоскости наибольшей жесткости (Ix > Iy) относительно оси x-x выполняют с учетом развития пластических деформаций в узкой локализованной зоне по формуле где Mx – максимальный изгибающий момент, действующий в плоскости наибольшей жесткости; c1 – коэффициент, учитывающий резерв несущей способности изгибаемого элемента, обусловленный пластической работой материала. Он зависит от формы сечения, отношения площадей поперечного сечения пояса и стенки αf = Af /Aw, принимается: c1 = c при   0,5Rs (влияние касательных напряжений на переход в предельное состояние считается несущественным), где с определяется по табл. 3.2; c1= 1,05βс = 1,05с при 0,5Rs <   0,9Rs, (зависит от значения средних касательных напряжений в сечении  = Q/(twhw), здесь α – коэффициент, равный 0,7 для двутаврового сечения, изгибаемого в плоскости стенки; α = 0 для других типов сечений; tw и hw – толщина и высота стенки. Таблица 7.1 Значения коэффициентов с, (cx), cy Коэффициет αf = Af /Aw 0,25 0,5 1,0 2,0 с (сx) 1,19 1,12 1,07 1,04 сy 1,47 При наличии ослаблений стенки отверстиями для болтов значения касательных напряжений  определяются с учетом ослаблений (следует умножить на коэффициент ослабления α = а/(а – d), где а – шаг отверстий; d – диаметр отверстия). Для элементов, изгибаемых в двух главных плоскостях, проверка прочности сечения ведется по формуле при ограничении касательных напряжений условием   0,5Rs. Значения коэффициентов cx и cy, учитывающих развитие пластических деформаций, принимается из табл. 7.1. При расчете сечения в зоне чистого изгиба, где зона пластических деформаций большой протяженности, вместо коэффициента c1 принимают с1m = 0,5(1 + c1). Для балок, рассчитываемых с учетом пластических деформаций, расчет на прочность в опорном сечении (при Mx = 0) выполняют по формуле где Qx – максимальная поперечная сила на опоре; h – высота сечения балки. При ослаблении стенки отверстиями для болтов левую часть формулы умножают на коэффициент ослабления α. Расчет на прочность балок переменного сечения с учетом развития пластических деформаций следует выполнять только для одного сечения с наиболее неблагоприятным сочетанием усилий M и Q; в остальных сечениях учитывать развитие пластических деформаций не допускается. 7.2 Составные балки Балки составного сечения применяют в случаях, когда прокатные балки не удовлетворяют условиям прочности, жесткости, общей ус­тойчивости, т.е. при больших пролетах и больших изгибающих мо­ментах, а также, если они экономичнее. Составные балки изготавливают, как правило, сварными, их сече­ние состоит из трех листов (рисунок 7.3). Их изготавливают на заводах металлических конст­рукций, оборудованных технологическими линиями для изготовления сварных двутавров. Соединение стенки и поясов двутавров осуществ­ляется с помощью автоматической сварки. Стенку и пояса балок изго­тавливают из стальных листов. Рисунок 7.3 – Сечение составной сварной балки Высота балки определяется экономическими соображениями, максимально допустимым прогибом балки или технологическими со­ображениями. Оптимальная высота балки может быть определена по формуле: где k - коэффициент, зависящий от конструктивного оформления балки для сварных - 1,15-1,2; для клепаных - 1,2-1,25; W - момент сопротивления сечения балки в плоскости изгиба; tw – толщина стенки балки. Наименьшая высота балки определяется жесткостью балки - ее предельным прогибом - может быть вычислена по формуле: где – обратная величина нормируемого относительного прогиба; – нормативная равномерно распределенная нагрузка, дейст­вующая на балку, включающая постоянные и временные длительные нагрузки с учетом фактического веса балки; q – расчетная равномерно распределенная нагрузка, действую­щая на балку, включающая постоянные и временные нагрузки с уче­том фактического веса балки; l - пролет балки; E - модуль упругости стали. Список литературы Основная литература 1. Металлические конструкции: учебник /под ред. Ю.И. Кудишина. – М. : Академия, 2014. – 688с. 2. Мандрикров А.П. Примеры расчета металлических конструкций. Учебное пособие /А.П. Мандрикров. – СПб. : Лань, 2012. – 432с. 3. Доркин В.В. Металлические конструкции: учебник / В.В. Доркин, М.П. Рябцева – М. : Инфра-М, 2017. – 457с. 4. SCAD office. Версия 21.Вычислительный комплекс SCAD++ / В.С. Карпиловский, Э.З. Криксунов [и др.] – М. : СКАД СОФТ, 2015г. – 848с. Дополнительная литература 1. Москалев Н.С. Металлические конструкции: учебник / Н. С. Москалев, Я. А. Пронозин – М. : АСВ, 2011. – 344 с. 2. Маслов Б.Г. Производство сварных конструкций: учебник / Б.Г. Маслов, А.П. Выборнов – М. : Академия, 2008. – 256 с 3. СНиП РК 5.04-23-2012. Стальные конструкции. Астана: «КазГОР». –120с. 4. Азаров Н.А. Учебно-методическое пособие по курсовому проекту по курсу «Конструирование и расчет сварочных приспособлений»: / Н. А. Азаров – Томск: Изд-во ТПУ, 2010. – 146 с. 5. Шерешевский И.А. Конструирование промышленных зданий и сооружений: учеб. пособие / И.А. Шерешевский, Архитектура-С, 2005. – 168с. 6. НТП РК 01-01-3.1 (4.1)-2017 «Нагрузки и воздействия на здания». Астана: Комитет по делам строительства и жилищно-коммунального хозяйства Министерства по инвестициям и развитию Республики Казахстан, 2017. – 181с.